Отбор в пользу цветков водосбора, утративших нектарные шпорцы, вызван снижением пресса фитофагов

В природной популяции многолетнего растения голубого водосбора (Aquilegia coerulea) широко распространен мутант A. coerulea var. daileyae, у которого характерные лепестки с нектарными шпорцами заменены вторым набором чашелистиков. У нормальных цветов в шпорцах скапливается нектар, привлекающий основных опылителей водосбора — бражников. Поэтому можно было бы ожидать, что потеря шпорцев окажется невыгодной для мутантов. Вопреки этому они встречаются достаточно часто в популяции — их доля составляет около 25%. Исследование, проводившееся в течение нескольких лет в парке Рейнольдс (штат Колорадо, США), показало, что мутантная морфа без шпорцев находится под сильным положительным отбором в первую очередь из-за того, что такие цветы реже повреждаются фитофагами. Замена лепестков на чашелистики происходит из-за мутаций, приводящих к потере функции гомеозисного гена APETALA3-3. С помощью молекулярных методов удалось выяснить, что на протяжении многих поколений происходило положительное ассортативное скрещивание между морфами. Вместе эти данные представляют собой убедительный пример того, что крупномасштабные скачкообразные морфологические изменения, дифференцирующие таксоны, могут происходить из-за одиночных мутаций.

Дарвин, как известно, утверждал, что эволюция происходит постепенно, через множество незначительных изменений, медленно улучшая одну форму по сравнению с другой. Позднее в эволюционной биологии возникла гипотеза о том, что крупные мутации (сильно изменяющие фенотип) тоже могут быть поддержаны отбором, особенно когда они возникают на ранней стадии процесса адаптации, и что именно они являются причиной образования новых видов.

Наиболее экстремальные из известных мутаций — это гомеозисные мутации, при которых одни части тела заменяются на другие. Самый, пожалуй, известный пример — замена усиков ногами у дрозофил при гомеозисной мутации в гене Antennapedia (подробнее см. статью Истории мутантов: гомеозисные гены). Сравнительный анализ показывает, что изменение количества участвующих в развитии органов генов (например, генов формирования гомеозисного паттерна или генов симметрии органов) или паттернов их экспрессии коррелируют с основными морфологическими различиями между таксонами. Однако неизвестно, возникли ли эти различия за счет одиночных макромутаций или же за счет накопления множества мелких изменений. Кроме того, неясно, произошли ли эти изменения во время видообразования (и привели к образованию новой группы) или впоследствии. На самом деле у ученых пока очень мало доказательств того, что отдельные гомеозисные мутации действительно могут быть адаптивно выгодными и потому не выметаться отбором, а сохраняться в популяциях.

Но теперь, похоже, появился наглядный пример существования такой мутации. Авторы недавней статьи в журнале Current Biology, используя комбинацию полевых наблюдений и молекулярных методов, показали, что в популяции голубого водосбора (он же — голубая аквилегия, Aquilegia coerulea) растущей в парке Рейнольдс (Reynolds Park, штат Колорадо, США) действует достаточно сильный положительный отбор в пользу гомеозисного мутанта с измененной морфологией цветка и определили его основные причины.

Водосбор (Aquilegia) — род травянистых многолетних растений семейства Лютиковые (Ranunculaceae). Для большинства видов этого рода характерно наличие лепестков с длинными трубчатыми шпорцами, в которых скапливается выделяемый нектар. От длины, формы и цвета этих нектарных шпорцев зависит состав опылителей вида.

Строение «обычного» цветка A. coerulea соответствует основному плану рода (рис. 2): пять плоских лепестковидных чашелистиков и пять лепестков, каждый из которых имеет трубчатый отросток (нектарный шпорец). Основными опылителями этого вида являются бражники, которые исследуют длинные шпорцы в поисках нектара, и шмели, которые собирают пыльцу.

Бражники (когда их достаточно) обеспечивают эффективное перекрестное опыление водосбора. Это, по-видимому, связано с тем, что они предпочитают первым посещать на растении цветок, находящийся в женской фазе (когда тычинки перестали распространять пыльцу, а рыльце пестика стало рецептивным, то есть готовым принимать пыльцу). Цветки женской фазы, посещенные первыми, получают пыльцу от перекрестного опыления (если насекомое перед этим посещало цветки того же вида, и к нему прикрепилась пыльца). Шмели, напротив, предпочитают сначала посещать цветки мужской фазы. Это увеличивает вероятность того, что на цветок женской фазы будет перенесена пыльца того же растения, что с точки зрения генетики равносильно самоопылению (J. Brunet, H. R. Sweet, 2007. Impact of insect pollinator group and floral display size on outcrossing rate).

В случае самоопыления A. coerulea сильно страдает от инбредной депрессии — ослабления жизнеспособности потомства в результате накапливания и проявления в гомозиготе дефектных аллелей. Поэтому предполагается, что признаки, способствующие перекрестному опылению (например, посещаемость бражником), будут поддерживаться отбором.

В 1897 году в популяции A. coerulea был обнаружен гомеозисный мутант, у которого лепестки преобразованы во второй набор чашелистиков (10 чашелистиков, 0 лепестков). Эту морфу описали как A. coerulea var. daileyae (далее будем называть ее d-морфой). За исключением замены лепестков с несущими нектар шпорцами на чашелистики без нектарных шпорцев, по-видимому, нет никаких различий в цветочной структуре между двумя морфами (см. рис. 2). Несмотря на такую радикальную потерю шпорцев, уже в то время было отмечено, что мутантная форма, по-видимому, постепенно распространяется в популяции, а через 100 лет отмечено высокое обилие d-морфы к югу от первоначального местонахождения в центре штата Колорадо.

Относительно высокая частота встречаемости d-морфы предполагает, что она как минимум избирательно нейтральна или почти нейтральна, а, возможно, даже имеет преимущество в приспособленности. Это удивительно, так как обычно считается, что отбор различных цветочных морф зависит в первую очередь от опылителей. Но без лепестков с нектарными шпорцами отсутствует награда за посещение для крупных опылителей — бражников. Более того, даже если бы бражники регулярно посещали мутантные растения, то их длинные хоботки не давали бы им касаться репродуктивных органов цветка и осуществлять опыление (рис. 3). Однако помимо опылителей в популяции могут быть другие важные факторы, влияющие на отбор по морфологии цветков.

Так в чем же причины успеха этого гомеозисного мутанта в естественной популяции?

В каждый из трех сезонов цветения (2014–2016 годы) исследователи следили за тем, что происходит с растениями A. coerulea в части парка Рейнольдс: учитывали расположение растений, их морфологию (WT или d), количество цветков, любые признаки повреждения цветков фитофагами, а также созрели ли плоды. Подавляющее большинство растений четко относились к одной из двух морф (WT и d), но изредка попадались экземпляры с промежуточной морфологией (или вариабельной морфологией внутри и/или между цветками), которые были включены в анализ в качестве d-морфы.

Две морфы не различались по своему пространственному распределению в популяции; растения обеих морф регулярно росли на расстоянии 5 см друг от друга. Это указывает на то, что факторы окружающей среды, такие как химический состав почвы, солнечный свет и доступность воды вряд ли влияют на различия между морфами. Ни в один из годов морфы не различались значимо ни по количеству цветков, ни по размеру плодов, который сильно коррелирует с количеством семян (см. рис. 3). Тем не менее, в каждый год цветы d-морфы со значительно большей вероятностью давали плоды, чем цветы WT-морфы, то есть доля цветков, успешно завязавших семена, была выше у d-морфы (рис. 3,E).

Оба основных опылителя (бражники и шмели) посещали A. coerulea в парке Рейнольдс в течение всех трех полевых сезонов. В 2014 году авторы при помощи видеокамеры оценили, какие опылители и в каком количестве посещают цветки обеих морф. Оказалось, что бражники и шмели посещали обе морфы, а отдельные опылители часто перелетали между цветками разных морф. Не было обнаружено доказательств того, что бражники или шмели предпочтительно посещают какую-либо одну морфу. Когда бражники посещали d-морфу цветка, их тело находилось далеко от репродуктивных органов цветка (это хорошо видно на видео, включенном в онлайн-версию статьи). Таким образом, можно заключить, что цветки WT-морфы опыляются и бражниками, и шмелями, тогда как цветки d-морфы, скорее всего, преимущественно опыляются шмелями.

Наконец, исследователи проверили, есть различия между морфами в эффективности распространения пыльцы. Для этого они проанализировали встречаемость четырех несвязанных нейтральных однонуклеотидных полиморфизмов (то есть различий в последовательности ДНК длиной в один нуклеотид, которые не меняют аминокислотную последовательность белка из-за вырожденности генетического кода). Если в популяции часты случаи самоопыления и близкородственного скрещивания, то велика вероятность, что в одном локусе окажутся два аллеля, которые идентичны по происхождению и получены от общего предка. Мерой этой вероятности является коэффициент инбридинга. Оказалось, что у растений d-морфы значение коэффициента инбридинга гораздо выше (рис. 3, F). Это, вероятнее всего, объясняется снижением эффективности распространения пыльцы.

Отсутствие шпорцев у d-морфы, судя по всему, приводит к тому, что бражники практически не переносят пыльцу цветов этой морфы. Шмели же активно собирают пыльцу, но и регулярно счищают ее со своего тела. Поэтому они в основном перемещают пыльцу на относительно короткие расстояния. Поскольку шмели являются основными опылителями d-морфы, это приводит к более высокому инбридингу. Можно предположить, что d-морфы в будущем будут вынуждены выработать приспособления для снижения роли инбредной депрессии. Учитывая вероятные различия между морфами в динамике распространения пыльцы, дальнейшие исследования переноса пыльцы в этой системе были бы особенно интересны.

Возможное избирательное преимущество d-морфы может заключаться в экономии ресурсов. Например, у некоторых видов растений производство нектара требует значительных затрат энергии и может уменьшить завязываемость семян (см., например, E. Southwick, 1984. Photosynthate Allocation to Floral Nectar: A Neglected Energy Investment). Однако у других видов затраты на нектар кажутся незначительными при отсутствии затрат на воспроизводство или вегетацию (см. M. Ordano, J. F. Ornelas, 2005. The cost of nectar replenishment in two epiphytic bromeliads).

В обсуждаемой работе исследователи сравнивали две морфы по вероятности завязывания плодов для растений, дающих одинаковое количество цветков (1, 2 или 3) и не имеющих каких-либо признаков повреждения цветков фитофагами. Ни количество цветков, ни количество плодов, ни размер плодов значимо не различались между двумя морфами. Однако в восьми из девяти сравнений у растений d-морфы была выше доля завязавшихся плодов по отношению к общему количеству цветков. Это может быть связано с тем, что растения d-морфы затрачивают меньше ресурсов на производство нектара и вкладывают их в формирование плодов. Однако эти сравнения были сделаны только в течение одного сезона, а вполне возможно, что у этих многолетних растений в различные сезоны ресурсы распределяются по-разному. Тем не менее, маловероятно, что распределение ресурсов играет важную роль в распространении d-морфы, поскольку тогда ожидалось бы много случаев потери лепестков или шпорцев у всего рода, чего не происходит.

По-видимому, основным фактором отбора в пользу d-морфы является увеличение репродуктивного успеха из-за снижения повреждаемости цветков фитофагами. На протяжении всех трех сезонов степень повреждения цветков фитофагами была выше на цветках WT-морфы (рис. 4, А). У водосбора три основных вредителя: тли, гусеницы и олени. Тля питается цветоножками цветов (а иногда и самими цветами), часто вызывая увядание и задержку развития цветков. Гусеницы (в основном Platypolia anceps) преимущественно поедают репродуктивные органы (а также чашелистики и лепестки), что обычно приводит к полной потере плодоношения. Чернохвостые олени (Odocoileus hemionus) поедают целые цветы. В 2015 и 2016 годах исследователи зафиксировали ущерб, наносимый каждым из вредителей. Оказалось, что гусеницы не проявляли значимого предпочтения в отношении морф ни в один год, тля в большей степени была связана с цветками WT-морфы в оба года, а чернохвостые олени отдавали предпочтение цветкам WT-морфы, хотя значимым это различие было только в 2016 году.

Лепестки WT-морфы имеют явные визуальные отличия от d-морфы за счет наличия больших выступающих шпорцев и ярко белых лепестковых пластинок, контрастирующих на фоне пурпурных чашелистиков. Олени могут предпочитать цветы WT-морфы из-за наличия сладкого нектара в шпорцах и научиться отличать цветки разных морф друг от друга. Лепестки также часто являются основным источником летучих соединений, а значит, две морфы могут очень по-разному восприниматься животными, ориентирующимися на запах. Тля как раз идентифицирует свое кормовое растение по запаху. Кроме того, поскольку тля питается флоэмой, снижение производства нектара у d-морфы может привести к уменьшению потока флоэмы, что может снизить скорость роста популяции тли и привести к меньшему повреждению цветков d-морфы. Дальнейшее изучение того, как гомеозисные мутации A. сoerulea влияют на предпочтения фитофагов, представляется очень интересным.

Очевидным геном-кандидатом, отвечающим за формирование d-морфы, является гомеозисный ген цветочной идентичности класса B APETALA3-3 (AqAP3-3), так как блокировка экспрессии этого транскрипционного фактора у A. coerulea приводит к превращению лепестков в чашелистики, но при этом другие органы не затрагиваются (подробнее о генах, регулирующих развитие цветка, читайте в задаче Пестики-тычинки).

В ходе изучения последовательности ДНК от 101 растения A. coerulea было идентифицировано 55 вариабельных положений, четыре из которых были делециями (потерями участка хромосом): две одиночные делеции (по одному нуклеотиду), каждая из которых вызывала сдвиг рамки считывания и большое усечение белка в результате формирования стоп-кодона, делеция длиной 9 пар оснований, вызывающая потерю высококонсервативных аминокислот в ДНК-связывающем домене, и делеция 682 пар оснований непосредственно перед геном, устраняющая цис-регуляторный элемент (рис. 5). Эти делеции, скорее всего, приводят к потере функции гена.

Генотипы в этих локусах сильно коррелировали с морфологией цветка. Все 32 растения d-морфы были либо гомозиготными по одной из этих мутаций, либо гетерозиготными по двум из них. Напротив, WT-растения либо не несли данных делеций, либо были гетерозиготными только по одной из этих мутаций. Таким образом, формирование d-морфы, по-видимому, вызывается проявлением в гомозиготе рецессивных аллелей, что приводит к потере функции AqAP3-3. Далее будем обозначать эти мутантные аллели буквой d (d1, d9, d1b и d682), а доминантные функциональные аллели — буквами WT.

Чтобы дополнительно проверить, что эти d-аллели, вызывающие потерю функции гена, отвечают за формирование мутантного фенотипа d, в 2016 году авторы генотипировали 850 растений (d = 198, WT = 652). Было обнаружено, что любая особь несет не более двух d-аллелей, то есть отдельные гаплотипы несут только одну мутацию d. Поэтому генотип каждой особи можно обозначить как d/d (гомозиготный или гетерозиготный), d/WT или WT/WT. Эти генотипы были исключительно тесно связаны с морфологией цветков: растения d-морфы обладали гомозиготным или гетерозиготным генотипом d/d, а растения WT имели генотип d/WT или WT/WT. Выяснилось также, что все гаплотипы с разными мутациями d происходят от функциональных гаплотипов, то есть тех, которые в гетерозиготном состоянии с гаплотипом, несущим мутацию d, дают морфологию WT.

Исследователи также оценили, различаются ли разные генотипы, вызывающие один и тот же фенотип, по завязываемости плодов или привлекательности для вредителей. Что касается WT-морфы, то ни гетерозиготы (d/WT), ни гомозиготы (WT/WT), ни конкретные генотипы d/WT существенно не различались ни по повреждаемости фитофагами, ни по успешности завязывания плодов. Точно так же растения d-морфы с разными генотипами d/d существенно не отличались ни по повреждаемости фитофагами, ни по успешности завязывания плодов. Таким образом, получается, что эти независимые мутации d вызывают одно и то же морфологическое изменение и оказывают сходное влияние на вероятность фитофагии и завязывания плодов.

Вариабельный отбор в прошлом или на других стадиях жизни, воздействующий непосредственно на ген AqAP3-3 или близко сцепленные гены, может усиливать, устранять или обращать эффект положительного отбора, который был обнаружен для d-морфы.

Если мутация нейтральная, то ее распространение в популяции может происходить только за счет дрейфа генов и займет много поколений. В этом случае неравновесное сцепление между этой мутацией и соседними локусами будет деградировать из-за рекомбинации в каждом поколении. Частота полезной мутации будет увеличиваться быстрее, чем частота нейтральной мутации, поскольку на нее действует отбор, так что окружающий консервативный участок гаплотипа будет длиннее. Если направленный отбор постоянно благоприятствовал аллелям d на протяжении многих поколений, то можно ожидать повышенный уровень неравновесного сцепления вблизи высокочастотных d-аллелей по сравнению с WT-аллелями.

Чтобы доказать, что положительный отбор происходил в данной популяции на протяжении нескольких поколений, авторы оценили неравновесное сцепление, используя расширенную гомозиготность гаплотипа для идентифицированных гаплотипов, несущих две высокочастотные мутации d1 (28%) и d9 (13%) по сравнению с гаплотипами WT (рис. 6). Расширенная гомозиготность гаплотипа быстро снижается в пределах 1 тысячи пар нуклеотидов (т. п. н.) для гаплотипов WT, подтверждая предыдущие данные о быстром снижении неравновесия по сцеплению для AqAP3-3 и других генов у Aquilegia. Напротив, оба аллеля d имеют гораздо более высокие уровни расширенной гомозиготности гаплотипа, простирающиеся за пределы 1,1 т. п. н. и 2,5 т. п. н. выше и ниже мутаций, соответственно (рис. 6). Эти результаты показывают, что высокие частоты этих d-аллелей обусловлены положительным отбором на протяжении многих поколений.

Это исследование также является наглядным примером мягкого отбора (см. Soft selective sweep) мутаций множественного происхождения, когда несколько полезных аллелей возникают до того, как какой-либо отдельный аллель может зафиксироваться. Этот тип отбора гораздо более вероятен, когда имеется большая мутационная мишень или выбранный аллель является рецессивным, и ему требуется время до достижения достаточно высокой частоты, чтобы проявиться в гомозиготе и стать мишенью для отбора, что дает шанс за это время появиться функционально эквивалентным аллелям. Для d-морфы выполняются оба этих условия, так как многие мутации могут приводить к потере функции гена AqAP3-3, а фенотипический эффект оказывается полностью рецессивным (так как гетерозиготные растения имеют морфологию WT). Таким образом, время между исходной мутацией и отбором, благоприятствующим d-растениям, может быть относительно длительным и позволить накапливаться d-аллелям с другими мутациями, прежде чем отбор сможет привести к их высокой частоте.

Наблюдения за опылителями, описанные выше, показали, что и бражники, и шмели посещают обе морфы, но различное размещение пыльцы может приводить к наличию положительного ассортативного скрещивания (то есть предпочтительного скрещивания морфологических сходных особей). Ассортативное скрещивание между морфами будет вызывать дефицит гетерозигот d/WT по сравнению с гетерозиготами типа d/d (например, d1/d9). Наблюдаемые значения частот генотипов сильно отклонялись от ожидаемых значений по Харди — Вайнбергу, и это в значительной степени было результатом отсутствия гетерозигот d/WT вместе с избытком d/d-гомозигот. Избыток d/d-гомозигот вызван повышенным уровнем инбридинга, обнаруженным для d-растений. Таким образом, частоты генотипов указывают на наличие ассортативного скрещивания по морфологии.

Как отмечалось ранее, бражники, вероятно, в первую очередь опыляют растения WT-морфы. У шмелей есть доступ к пыльникам обеих морф, но растения d-морфы могут быть более привлекательными из-за большего количества пыльцы, которая у данной морфы не растрачивается бражниками. Следовательно, шмели могут проводить больше времени, собирая пыльцу с растений d-морфы, и вносить, тем самым, больший вклад в их опыление. Изменения в паттернах размножения могут привести к уменьшению потока генов между морфами и постепенному генетическому обособлению их друг от друга. Но тут бы не помешали дополнительные исследования потоков пыльцы в этой популяции.

В исследованной популяции не было обнаружено свидетельств дивергентного отбора, ведущего к разделению данных морф на два вида, однако, теоретически, если, например, цветочные фитофаги различаются между популяциями, то это может привести к формированию нового вида. В популяциях без цветочных фитофагов растения WT-морфы, вероятно, имеют преимущество перед растениями d-морфы за счет более высоких показателей ауткроссинга (см. рис. 3, F). В популяциях с фитофагами преимущество будет, наоборот, у растений d-морфы. Если в различных популяциях закрепятся разные морфы, опылители (особенно бражники) могут научиться распознавать их.

Неизвестно, образуется ли в конечном итоге из d-морфы новый вид, однако различные исследования показывают, что появление многих видов растений связано с потерей нектароносных лепестков. В пределах семейства Лютиковые (Ranunculaceae) есть девять независимо эволюционировавших безлепестных линий, в которых отбор способствует утрате лепестков, несмотря на потерю предполагаемого мутуалистического преимущества от привлечения опылителей нектаром. Также потеря нектарных шпорцев, но не всего лепестка, произошла у одного вида водосбора, A. ecalcarata. Таким образом, уже имеется несколько примеров потери лепестков, связанных с кладогенезом. Кроме того, семь из этих девяти потерь лепестков связаны с потерей функции гена AP3-3.

Таким образом, A. coerulea var. daileyae — яркий пример гомеозисной мутации, которая вызывает значительное морфологическое изменение (превращение лепестков в чашелистики). Эта морфа подвергается положительному отбору в основном благодаря снижению пресса фитофагов и перераспределению ресурсов. Кроме того, радикальное изменение морфологии цветков меняет паттерны опыления, вызывая определенную степень ассортативного скрещивания, которая в итоге может способствовать видообразованию. Эти результаты хорошо вписываются в концепцию «перспективного монстра», предложенную Рихардом Гольдшмидтом в 30-х годах XX века, где механизмом важнейших эволюционных преобразований считается появление редких аномалий или уродств, которые случайно оказываются более жизнеспособными и более высокоразвитыми, чем нормальные организмы (подробнее об этом см. Ископаемые рыбы в очередной раз подтвердили правоту Дарвина, «Элементы», 18.07.2008).

Источник: elementy.ru

Adblock test .