Парадокс, связанный с видообразованием у яблонных пестрокрылок, объясняется многофакторным отбором
Рис. 1. Яблонная пестрокрылка (Rhagoletis pomonella) — удобный объект для изучения механизмов быстрого симпатрического видообразования. Фото © Phil Huntley-Franck с сайта molecularecologist.com
Североамериканские мухи Rhagoletis pomonella разделились на два вида буквально на глазах у исследователей, после того как в XIX веке часть из них перешла со своего старого кормового растения (боярышника) на новое (домашнюю яблоню). Одно из ключевых эволюционных изменений в ходе адаптации к новой нише состояло в том, что яблочные мухи стали раньше выходить из куколок. При этом генетические варианты, ассоциированные у предкового боярышникового вида с более поздним вылуплением, у нового яблочного вида парадоксальным образом встречаются чаще, а не реже, чем у боярышникового. Генетический анализ многочисленных мух из разных районов показал, что причина парадокса кроется в сложной генетической архитектуре признака «время выхода из куколки», который, как выяснилось, скоррелирован с другим признаком, который тоже подвергался отбору в ходе адаптации к яблокам — с интенсивностью (глубиной) диапаузы. Исследование показало, что последствия многофакторного отбора по взаимосвязанным признакам могут быть контринтуитивными и трудно предсказуемыми.
Североамериканские мухи Rhagoletis pomonella (яблонные пестрокрылки) привлекают внимание биологов-эволюционистов как интересный объект для изучения быстрого симпатрического видообразования. До появления в Америке европейцев личинки этих мух развивались в плодах боярышника, но в XIX веке они освоили новое кормовое растение — привезенную из Европы яблоню. Это привело к разделению мух R. pomonella на две разновидности, которые по сути являются зарождающимися видами. В англоязычной литературе их иногда называют «видами-близнецами», но чаще «расами», хотя по многим критериям (см.: Концепции вида) они уже заслуживают статуса самостоятельных видов.
Как и положено разделившимся видам, боярышниковая и яблочная расы R. pomonella в природе почти не скрещиваются друг с другом. Репродуктивная изоляция поддерживается, во-первых, разными обонятельными предпочтениями: яблочные мухи летят на запах яблок, боярышниковых больше привлекает боярышник, а скрещиваются эти насекомые обычно прямо на своем кормовом растении.
Во-вторых, у двух мушиных рас различается время выхода из куколки. Личинки этих насекомых развиваются в спелых плодах и окукливаются, когда плоды падают на землю. В стадии куколки они дожидаются зимы, потом зимуют, а взрослые мухи вылетают из куколок точно к очередному урожаю своих излюбленных плодов, потому что пока плодов нет, взрослым мухам в этом мире делать нечего — только хищников привлекать.
Боярышник созревает позже яблок. Поэтому мухи, адаптированные к боярышнику, обычно выходят из куколок дней на 10 позже яблочных. Это резко снижает вероятность гибридизации, поскольку спаривание происходит вскоре после выхода из куколки, а век взрослой мухи недолог. Аналогичные изменения сроков выхода из куколки обнаружены и у паразитов этих мух — наездников рода Diachasma, которые последовали за своими жертвами на новое кормовое растение, причем у наездников это тоже привело к зарождению нового вида (эта захватывающая история рассказана в новости Цепная реакция видообразования, «Элементы», 11.02.2009).
Американские биологи уже несколько десятилетий работают над расшифровкой эволюционно-генетических основ видообразования у R. pomonella, то есть пытаются понять, какие факторы отбора и какие генетические изменения ответственны за переход мух с боярышника на яблоки и соответствующие изменения фенотипических признаков, включая те, что обеспечивают репродуктивную изоляцию. В ходе исследований выяснилось немало интересного. В частности, оказалось, что число генетических различий между расами (или, точнее, число участков генома, в которых частоты аллелей резко различаются у двух рас) очень велико. При этом различающиеся локусы не собраны в компактные «островки видообразования», как у некоторых других молодых видов (см. новости Различия между зарождающимися видами африканских цихлид записаны в «геномных островках видообразования», «Элементы», 21.12.2015 и Генетические различия между серой и черной вороной записаны на «островках видообразования», «Элементы», 25.06.2014). У яблочной и боярышниковой рас R. pomonella генетические различия рассеяны по всему геному и образуют не «островки», а целые «континенты» генетической дивергенции (A. P. Michel et al., 2010. Widespread genomic divergence during sympatric speciation).
Один факт, подтвержденный в нескольких исследованиях, выглядит парадоксально. До сих пор его не удавалось толком объяснить. Внутри каждой из рас существует наследственная изменчивость по срокам выхода из куколки, связанная с локальными климатическими условиями. Это логично, ведь в пределах обширного ареала R. pomonella (включающего восток США и северную Мексику) в одних районах плоды созревают раньше, в других — позже, и мухам нужно к этому адаптироваться.
Найдены многочисленные локусы, аллельное состояние которых коррелирует (внутри каждой из двух рас) с более ранним или более поздним выходом из куколки. Казалось бы, у яблочных мух, вылупляющихся рано, должны в целом преобладать «ранние» аллели, а у боярышниковых, вылупляющихся поздно, — «поздние». На самом деле всё почему-то наоборот: у яблочных мух «поздние» аллели встречаются в среднем чаще (а «ранние», соответственно, реже), чем у живущих в том же районе боярышниковых мух (J. L. Feder et al., 1993. The effects of climate, host plant phenology and host fidelity on the genetics of apple and hawthorn infesting races of Rhagoletis pomonella).
Американские биологи-эволюционисты, изучающие генетику видообразования у R. pomonella, опубликовали в журнале Journal of Evolutionary Biology статью, в которой эта давняя загадка получила наконец правдоподобную разгадку. Основная идея статьи представлена на рис. 2.
Рис. 2. Направленность отбора, действующего при переходе мух с боярышника на яблоки, не совпадает с направленностью отбора, действовавшего в прошлом (и продолжающего действовать) на предковую боярышниковую расу. Зелеными и сиреневыми кружочками обозначены популяции боярышниковых и яблочных мух, проживающие в районах с разными климатическими условиями (чем выше и правее, тем теплее). Прочие пояснения в тексте. Рисунок из обсуждаемой статьи в Journal of Evolutionary Biology
На основе накопленных ранее фактов авторы предположили, что для разрешения парадокса необходимо учитывать, помимо сроков выхода из куколки, еще один фенотипический признак — интенсивность (глубину) диапаузы. Ее можно оценить, в частности, по тому, насколько снижается уровень метаболизма у мухи, пережидающей в стадии куколки неблагоприятные для нее сезоны.
Идея состоит в том, что «историческая» направленность отбора по этим двум признакам, характерная для предковой боярышниковой расы (длинная синяя стрелка и параллельные ей зеленая и сиреневая линии на рис. 2), резко отличается от направленности отбора, который действовал при переходе с боярышника на яблоки (короткие синие стрелки на рис. 2).
Боярышниковым мухам в более теплых южных районах выгодно выходить из диапаузы (то есть вылетать из куколки и приступать к размножению) позже, чем на севере, потому что на юге боярышник созревает позже. С другой стороны, в южных районах мухам выгодно впадать в более глубокую спячку (диапаузу), чем в северных. Дело в том, что на юге погода осенью (после того, как плоды боярышника осыпались и личинки Rhagoletis окуклились по соседству в листовом опаде или почве) может долго оставаться очень теплой. Если муха заснула недостаточно глубоко, а осень выдалась особенно теплая, насекомое может по ошибке завершить метаморфоз и вылететь из куколки еще до начала зимы. Это, конечно, оставит ей мало шансов дожить до нового урожая боярышника.
Итак, боярышниковым мухам, в зависимости от местного климата, выгодно либо глубоко засыпать и вылупляться поздно, либо вылупляться пораньше, а засыпать не так глубоко. Такой характер отбора мог привести к формированию генетической корреляции (см. Genetic correlation) между двумя признаками. Это значит, что в генофонде R. pomonella могли накопиться такие генетические варианты, которые одновременно влияют на оба признака: обеспечивают более глубокую спячку и одновременно задерживают выход из куколки, или наоборот — делают диапаузу менее глубокой и при этом ускоряют выход из куколки.
В роли таких генетических вариантов могут выступать, во-первых, аллели одиночных генов с двойным эффектом (см. Плейотропия), во-вторых, устойчивые комбинации аллелей нескольких тесно сцепленных генов (см. Сцепленное наследование). Второй вариант вполне вероятен у R. pomonella, потому что у этих мух имеется значительный полиморфизм по инверсиям. Иначе говоря, некоторые участки генома у разных особей (или у одной особи в двух гомологичных хромосомах) повернуты в разные стороны и поэтому не могут рекомбинировать друг с другом при кроссинговере. Это создает предпосылки для формирования в таких участках коадаптированных (как бы «притертых» друг к другу) комплексов сцепленных генов. Такие комплексы благодаря инверсии не распадаются и наследуются единым блоком (об эволюционной роли инверсий рассказано в новостях Межвидовая гибридизация способствует накоплению хромосомных инверсий, «Элементы», 04.09.2017 и Хромосомные инверсии помогают малярийным комарам адаптироваться, «Элементы», 19.04.2017).
Прежние генетические исследования боярышниковых мух показали, что около 1,5 млн лет назад этот вид, возможно, на какое-то время разделился на две изолированные популяции, одна из которых проживала на юге (в нынешней Мексике), а другая на севере (в США). Именно в это время в разделенных популяциях, по-видимому, накопились инверсии, закрепившие коадаптированные комплексы генов, в которых либо «гены позднего вылета» сочетались с «генами глубокой диапаузы» (на юге), либо «гены раннего вылета» — с «генами неглубокой диапаузы» (на севере). Потом разобщенные популяции снова встретились и отчасти смешались, причем частоты встречаемости альтернативных генотипов («южных» и «северных») могли сформировать более или менее плавный широтный градиент.
Предположение о генетической корреляции между глубокой спячкой и поздним выходом из куколки, которая сформировалась у боярышниковых мух за миллионы лет адаптации к локальным климатическим условиям, — это первая из двух составных частей гипотезы, проверявшейся в обсуждаемой работе.
Вторая часть — идея о том, что при переходе с боярышника на яблоки отбор действовал иначе: он стремился одновременно сделать спячку более глубокой, а выход из куколки — ранним. Раньше выходить из куколки необходимо, потому что яблоки созревают раньше боярышника, как уже говорилось. Более глубокая спячка яблочным мухам нужна, вероятно, в связи с тем, что переход на ранние плоды неизбежно ведет и к раннему окукливанию. А значит, куколке приходится дольше пережидать теплую погоду, прежде чем начнется зима, и поэтому выше риск по ошибке вылупиться осенью.
Боярышниковые мухи ранее не сталкивались с такой комбинацией предъявляемых отбором требований. Сложившиеся у них генетические корреляции (раннего выхода с неглубокой спячкой, а позднего — с глубокой) препятствовали простому и безболезненному эволюционному движению в нужную для адаптации к яблокам сторону. Поэтому отбор привел к «компромиссному» решению, поддержав генетические варианты (аллели плейотропных генов или комплексы сцепленных), которые способствовали более глубокой диапаузе ценой сдвига вылупления на более поздний срок. Отбор поддерживал такие генетические варианты, если первый (полезный) эффект был сильнее второго (вредного). Ну а поскольку оба признака мультигенны (зависят от множества генов со слабыми эффектами), то добиться более раннего выхода из куколки удалось в итоге за счет каких-то других локусов, которые не были так жестко скоррелированы с уменьшением глубины диапаузы.
Для проверки гипотезы использовались обширные данные (отчасти новые, отчасти опубликованные ранее) по соотношению генотипа (учитывалось 7265 однонуклеотидных полиморфизмов или снипов, см. Single-nucleotide polymorphism) и двух фенотипических признаков (времени выхода из куколки и глубины диапаузы) у многих сотен боярышниковых и яблочных мух из разных районов. Глубину диапаузы оценивали двумя способами: по интенсивности дыхания и по тому, выходит ли муха из куколки раньше времени, если поместить окуклившееся насекомое в теплые условия, имитирующие долгую теплую осень.
Полученные результаты в целом совпали с предсказаниями, вытекающими из проверяемой гипотезы.
Во-первых, выяснилось, что оба признака чрезвычайно мультигенны: на каждый из них влияют сотни генов, причем эффект каждого гена по отдельности невелик.
Во-вторых, внутри каждой из двух мушиных рас многие снипы, как и ожидалось, коррелируют с обоими признаками одновременно. При этом если данный аллель коррелирует с глубокой диапаузой, то он, как правило, коррелирует также и с поздним выходом из куколки, и наоборот: аллели, чаще встречающиеся у мух с неглубокой диапаузой, чаще встречаются также и у мух, рано вылетающих из куколки.
Больше всего таких снипов с двойным эффектом обнаружилось в тех областях генома, для которых характерен высокий уровень «неравновесного сцепления» (Linkage disequilibrium, LD), то есть там, где аллели разных генов склонны образовывать устойчивые комбинации. Таких областей много на второй и третьей хромосомах R. pomonella. Предполагается, что в этих участках есть крупные инверсии, которые способствуют формированию устойчивых комплексов аллелей разных генов.
Снипов, коррелирующих только с глубиной диапаузы, но не со временем выхода из куколки, нашлось немного. Обратная ситуация встречается чаще: на первой хромосоме обнаружилось множество снипов, коррелирующих только со сроками выхода из куколки, но не с глубиной диапаузы. То есть, как и ожидалось, два признака всё же не являются намертво сцепленными. И отбору, похоже, было проще обеспечить яблочных мух ранним выходом из куколки, не уменьшая при этом глубину спячки, чем наоборот — сделать спячку глубокой без вредных побочных эффектов, связанных с отсрочкой выхода из куколки.
Выяснилось также, что географическое распределение частот аллелей, влияющих на два изучаемых признака, соответствует теоретическим ожиданиям, вытекающим из проверяемой гипотезы. А именно, частота встречаемости «аллелей глубокой спячки» растет с севера на юг, и в том же направлении растет частота «аллелей позднего вылупления». Это справедливо и для предковой боярышниковой расы, и для молодой яблочной (по-видимому, это значит, что на обе сложившиеся расы отбор действует похожим образом).
Все перечисленные выше выводы относятся к внутрирасовой изменчивости. А что же различия между расами? Оказалось, что аллели, чаще встречающиеся у мух с глубокой, чем с неглубокой диапаузой, чаще встречаются у яблочных мух, чем у боярышниковых (в том числе и при сравнении популяций из одного и того же района). Это согласуется с идеей о том, что переход на яблоки был связан с отбором на более глубокую диапаузу. Таким образом, данный результат логичен и ожидаем.
Ну а с генами, определяющими сроки выхода из куколки, ситуация действительно парадоксальная и контринтуитивная. Как уже было показано ранее, у яблочных мух чаще, чем у боярышниковых, встречаются аллели, коррелирующие с поздним вылуплением — и это при том, что яблочным мухам выгодно вылупляться рано, и они действительно вылупляются раньше, чем боярышниковые.
Но теперь причины парадокса прояснились. У боярышниковых мух в ходе предшествующей эволюции сформировалась сильная генетическая корреляция между поздним выходом из куколки и глубокой диапузой. В результате в генофонде боярышниковых мух почти не осталось аллелей, которые делали бы спячку более глубокой, не задерживая при этом выход из куколки.
Когда в процессе перехода на яблоки начал работать отбор на глубокую спячку, это с неизбежностью привело, в качестве побочного эффекта, к распространению генетических вариантов (в основном — комплексов сцепленных аллелей, защищенных от перемешивания инверсиями), задерживающих выход из куколки. Хотя мухам, развивающимся в яблоках, наоборот, нужно было выходить из куколки пораньше. К счастью для яблочных мух, в их первой хромосоме еще оставались полиморфные локусы, влияющие на время вылупления, но не на глубину спячки. Поэтому отбор все-таки сумел создать расу с ранним вылуплением, но при этом с глубокой спячкой — комбинация, глубоко чуждая боярышниковым мухам.
Исследование показало, насколько сложным и запутанным может быть генетический базис, казалось бы, довольно простых эволюционных изменений. Не может не радовать, что современные методы генетического анализа уже позволяют — при достаточном упорстве исследователей — распутывать подобные клубки.
Источник: McCall B. Calvert, Meredith M. Doellman, Jeffrey L. Feder, Glen R. Hood, Peter Meyers, Scott P. Egan, Thomas H. Q. Powell, Mary M. Glover, Cheyenne Tait, Hannes Schuler, Stewart H. Berlocher, James J. Smith, Patrik Nosil, Daniel A. Hahn, Gregory J. Ragland. Genomically correlated trait combinations and antagonistic selection contributing to counterintuitive genetic patterns of adaptive diapause divergence in Rhagoletis flies // Journal of Evolutionary Biology. 2021. DOI: 10.1111/jeb.13952.
Александр Марков
