Цветки дикого редиса, родители которого подверглись нападению гусениц, чаще бывают фиолетовыми

В популяциях дикого редиса (Raphanus sativus) встречаются белые, желтые, фиолетовые и бронзовые цветки. В поддержании такого полиморфизма, по всей видимости, играют роль не только виды-опылители. В недавнем исследовании было показано, что и виды-вредители, поедающие листья растений, тоже способствуют разнообразию окраски цветков редиса: потомки растений, подвергшихся в ходе эксперимента нашествию гусениц, чаще формируют фиолетовые цветки, содержащие пигменты антоцианы. Предположительно это происходит из-за усиленного метилирования ДНК материнских растений во время атаки вредителей: из-за этого меняется экспрессия генов — и эти изменения передаются по наследству.

Мы привыкли восхищаться разнообразием окраски цветков декоративных растений — результатом кропотливой работы селекционеров, ярким примером искусственного отбора. Однако полиморфизм по окраске цветка не так редок и в дикой природе. У многих видов даже в пределах одной и той же популяции можно встретить несколько различных морф, каждая из которых имеет свой характерный цвет лепестков.

Такое разнообразие возникает и поддерживается многими путями (см., например, E. Narbona et al., 2017. Flower colour polymorphism in the Mediterranean Basin: occurrence, maintenance and implications for speciation). Важную роль в эволюции окраски цветков играют виды-опылители: например у космеи дваждыперистой (Cosmos bipinnatus), окраска цветка которой кодируется одним локусом по принципу неполного доминирования, опылители предпочитают гетерозигот с цветками розовой окраски гомозиготам, несущим белые или пурпурные цветки (R. Malerba, J. Nattera, 2011. Pollinator Response to Flower Color Polymorphism and Floral Display in a Plant with a Single-Locus Floral Color Polymorphism: Consequences for Plant Reproduction). При скрещивании гетерозигот в потомстве появляются и гомозиготные особи, — а значит, опылители способствуют сохранению в популяции разных цветовых морф. В ряде случаев имеет значение и вклад растительноядных видов — так, у клейтонии виргинской (Claytonia virginica) морфы с фиолетовыми цветками привлекают опылителей сильнее, чем растения с белыми цветами, однако они же страдают и от повышенного внимания со стороны насекомых-вредителей (F. frey, 2004. Opposing natural selection from herbivores and pathogens may maintain floral-color variation in Claytonia virginica (Portulacaceae)). Разнонаправленные векторы отбора приводят к тому, что в популяции одновременно присутствуют растения с цветками разной окраски. Кроме того, немаловажную роль в изменении окраски цветков могут играть и абиотические факторы — например, у полевого очного цвета (Anagallis arvensis) распространение морф с красными и голубыми цветками зависит от температуры и влажности (M. Arista et al., 2013. Abiotic factors may explain the geographical distribution of flower colour morphs and the maintenance of colour polymorphism in the scarlet pimpernel).

Известный пример выраженного полиморфизма по окраске цветка — редис (научное название — редька посевная, Raphanus sativus), в «одичавших» популяциях которого встречаются четыре разных варианта окраски цветков. Цвет венчика связан с содержанием в лепестках пигментов двух классов — антоцианов и каротиноидов — наследуемых независимо друг от друга (R. Irwin, S. Strauss, 2005. Flower Color Microevolution in Wild Radish: Evolutionary Response to Pollinator‐Mediated Selection). Если синтезируются оба класса пигментов, то цветок имеет бронзовую (так авторы называют оттенок красного, присущий цветкам одной из морф, рис. 1) окраску, если только каротиноиды — то желтую, если только антоцианы — то фиолетовую. А если пигменты отсутствуют, то развиваются белые цветки. В одной и той же популяции могут встречаться все четыре морфы.

Ранее было показано, что полиморфизм цветков редиса может (по крайней мере, отчасти) поддерживаться за счет разных предпочтений видов-опылителей (M. Stanton, 1987. Reproductive Biology of Petal Color Variants in Wild Populations of Raphanus sativus: I. Pollinator Response to Color Morphs). Так, пчелы чаще собирают пыльцу и нектар с желтых и белых цветков, в то время как мухи-журчалки выбирают фиолетовые цветки.

Однако в недавней работе было продемонстрирован и другой возможный путь существования полиморфизма: было показано, что интенсивная атака насекомых-вредителей на растение приводит к изменениям окраски цветков у первого поколения его потомков: они чаще накапливают в лепестках антоцианы и приобретают фиолетовую окраску.

Объектом исследования были популяции дикого редиса, произрастающие в настоящее время в Калифорнии подобно сорнякам. Любопытно, что этот калифорнийский редис, на самом деле, есть результат гибридизации двух видов, завезенных из Европы более сотни лет назад, причем этот гибридный вариант в конечном итоге вытеснил обе исходные родительские формы (S. Hedge et al., 2006. The evolution of California’s wild radish has resulted in the extinction of its progenitors). Это травянистое однолетнее растение с коротким вегетационным периодом, удобное для проведения научных экспериментов. Истинный же «дикий» предок редиса, предшественник культурных форм, судя по всему, в настоящее время в природе не встречается.

Исследователи собрали семена дикопроизрастающего редиса с белыми цветками. Из этих семян в теплице было выращено материнское поколение P, гусениц к нему не подпускали. Затем были получены три поколения потомков (F₁, F₂, F₃), в каждом из которых часть растений подвергали атаке гусениц репницы (Pieris rapae) — вида, специализирующегося на поедании растений из семейства Крестоцветные (рис. 2).

В первом поколении растения редиса были разделены на две группы — контрольную (интактную) и экспериментальную, подверженную воздействию гусениц. Потомков каждой группы (это уже поколение F₂), в свою очередь, опять разделили на две группы, на одну из которых напускали вредителей. В третьем поколении оказалось уже 8 групп растений (от 12 до 22 растений в каждой группе) с разной «семейной историей» столкновения с гусеницами.

Моделирование «атаки вредителей» происходило следующим образом. Семена прорастали через 4–5 дней после посева. Когда у молодого проростка было 2 листа, ученые заботливо подсаживали по одной личинке репницы на листик. На протяжении двух недель гусеницы объедали растения, повреждая около 60% всей листвы, пока не превращались в куколок.

Несмотря на довольно интенсивную нагрузку, все растения успешно выдержали атаку вредителей и впоследствии зацвели (примерно в возрасте 45 дней). В каждой группе цветки опыляли вручную пыльцой, собранной со всех растений этой же группы. В возрасте около двух месяцев уже были сформированы зрелые зерна. Из этих зерен выращивали представителей следующего поколения, отбирая по одному зерну от каждого растения.

Напомним, что общий «предок» всех поколений имел белые цветки. В ходе экспериментов многие из растений-потомков демонстрировали цветение фиолетовыми цветками, содержащими антоцианы. Желтые цветки оказались крайне редки, а бронзовые не были встречены ни разу. Таким образом, в работе авторы смогли проанализировать именно связь антоциановой окраски цветов редиса с воздействием гусениц. Для статистического анализа этой связи была использована обобщенная линейная модель.

Было показано, что вероятность развития фиолетовых цветков достоверно повышается, если родительские растения предыдущего поколения были подвергнуты атаке гусениц. Так, в поколении F₃ среди потомков контрольной группы оказалось 16% растений с окрашенными цветками, а среди потомков экспериментальной группы — 38% (рис. 3). При этом непосредственное, «текущее» воздействие гусениц не влияло на окраску цветков. Также не обнаружено никакой связи цвета лепестков с событиями, происходившими два поколения назад.

Найденная закономерность говорит о том, что, по всей видимости, мы имеем дело с межгенерационными эпигенетическими эффектами (см. Transgenerational epigenetic inheritance), когда без изменения собственно нуклеотидной последовательности ДНК изменяется уровень экспрессии генов — и эти изменения передаются следующему поколению. В таком случае может наблюдаться зависимость между событиями, происходящими с родительскими особями, и признаками потомков. Основным механизмом изменения активности генов служит метилирование ДНК (см. М. Лебедева и др., 2017. Эпигенетические механизмы и их роль в развитии растений).

Межгенерационное эпигенетическое наследование достаточно широко распространено среди растений (подробно это обсуждается в статье С. Лаврова и Е. Мавродиева Эпигенетическое наследование признаков и его возможная роль в микроэволюции растений). В частности, уже хорошо описаны некоторые случаи повышения устойчивости потомков к неблагоприятным факторам, воздействию которых подвергались родительские особи — например, к засухе или воздействию патогенов (L. Holeski et al., 2012. Transgenerational defense induction and epigenetic inheritance in plants). К тому же для ряда растений — в том числе и для дикого редиса — показано, что давление насекомых-вредителей на родительские растения способствует усилению устойчивости представителей следующего поколения.

Чтобы проверить гипотезу о том, что появление фиолетовой окраски цветков редиса также связано с изменением экспрессии генов у родительских растений, ученые определили степень метилирования ДНК у растений экспериментальной группы поколения F₂ — непосредственно до воздействия гусениц и после, — используя стандартный метод (MSAP–анализ; всего исследовано 106 фрагментов листов от 53 растений). После атаки гусениц степень метилирования генома оказалась выше, чем до атаки — от 5 до 14% исследуемых локусов несли метилированный цитозин. Как показал статистический анализ, наличие антоцианов в цветках растений поколения F₃, действительно, оказалось достоверно связано со степенью метилирования генома материнских растений из поколения F₂ (рис. 4).

Таким образом, экспрессия антоцианов в цветках дикого редиса коррелирует со степенью метилирования генома у их родителей. При этом окраска цветков самих родительских растений остается неизменной. Любопытно, что сходная зависимость антоциановой окраски и метилирования обнаружена и у яблони Холла (Malus halliana), однако, в этом случае изменение окраски происходит не через поколение, а в процессе развития одного и того же цветка (M. Han et al., 2020. How the Color Fades From Malus halliana Flowers: Transcriptome Sequencing and DNA Methylation Analysis).

В обсуждаемой работе отсутствуют данные об уровне метилирования генома растений контрольной группы, не подвергавшейся нашествию гусениц. Поэтому, строго говоря, нельзя однозначно утверждать, что именно атака вредителей спровоцировала повышение степени метилирования ДНК, которое впоследствии привело к развитию фиолетовой окраски цветков потомков. Тем не менее, это представляется наиболее вероятным вариантом развития событий: усиление метилирования при стрессовых условиях — как абиотических, так и биотических — довольно широко известный факт для растений (H. Peng, J. Zhang, 2009. Plant genomic DNA methylation in response to stresses: Potential applications and challenges in plant breeding).

Зачем же нужны фиолетовые цветки редису в условиях повышенной нагрузки насекомых-вредителей? Скорее всего, само по себе это явление не имеет самостоятельного биологического смысла, а является лишь побочным эффектом. В ответ на давление со стороны растительноядных насекомых растение накапливает в своих органах какие-то малосъедобные вещества, пытаясь снизить степень повреждений, — а это влияет и на окраску цветков. Так, антоцианы являются конечным продуктом синтеза других флавоноидов, среди которых есть и соединения, известные своими защитными свойствами — например, изофлавоноиды и проантоцианы. Поэтому разумно предположить, что синтез антоцианов сопровождает накопление репеллентных веществ в тканях растений. В пользу этого соображения говорят данные о том, что повреждение листиков редиса, вызванное гусеницами, приводит к повышению устойчивости к цветкоядным видам (A. McCall et al., 2018. Leaf herbivory induces resistance against florivores in Raphanus sativus). Было бы интересно провести серию подобных опытов с различными морфами редиса, отслеживая устойчивость на протяжении нескольких поколений.

Источник: elementy.ru

. .