«Мы знаем, что у определенных организмов есть много поколений за сезон, и мы знаем, что иногда требуется всего несколько поколений, чтобы эволюция развернулась; и тля – один из таких типов организмов», – объяснил Джейкоб А. Рассел, доктор философии, профессор Колледжа искусств и наук и старший автор исследования.
Как и многие насекомые, тля является хозяином симбиотических бактерий – или эндосимбионтов – в их крови и внутренних тканях.
Хотя весь спектр их воздействия еще не изучен, эти бактерии обычно обеспечивают некоторую защиту от давления окружающей среды, такого как паразиты и паразитоиды – паразиты, которые убивают их хозяев. Hamiltonella defensa, эндосимбионт, на котором сосредоточено внимание в этом исследовании, например, защищает от паразитоидов у гороховой тли. Но эти бактерии также представляют интерес для исследователей, потому что они передаются по наследству от самок своему потомству.
«По сути, эти бактерии передаются по наследству, как митохондриальная ДНК, и поэтому они могут служить частью адаптивного арсенала гороховой тли, действуя вместе с многими тысячами генов в геноме этого насекомого, питающегося соком», – сказал Рассел.
Эндрю Смит, доктор философии, бывший выпускник Дрекселя и нынешний главный научный сотрудник Института Родейла, возглавил исследовательские работы, которые позволили биологам ближе познакомиться с естественными силами, определяющими распространенность гамильтонеллы. Они надеялись, что посредством многократных полевых сборов и регулярного молекулярного скрининга они смогут пролить свет на эволюционные силы, влияющие на тлей в реальном времени.
«Мы были заинтересованы в том, чтобы попытаться понять, почему этот эндосимбионт сохраняется в этих популяциях, почему он никогда не теряется и почему он просто не достигает 100% частоты», – сказал Рассел. "Одна идея состоит в том, что в некоторых случаях это помогает тле, а также в некоторых случаях, когда она приносит немного вреда."
Чтобы дополнить сбор тлей и скрининг эндосимбионтов, полевая группа изучила ряд переменных окружающей среды на одних и тех же полях люцерны, в том числе распространенность Aphidius ervi, паразитоидной осы, завезенной в США для борьбы с популяциями гороховой тли, которая когда-то была угроза посевам, в том числе люцерне.
Осы убивают тлей, откладывая в них яйца. Интересно, что эндосимбионты Hamiltonella предотвращают развитие молодых ос, но, по мнению исследователей, они имеют свою цену.
«Есть такая« рента », которую тля должна платить эндосимбионту только для того, чтобы поддерживать свою популяцию», – сказал Рассел. «В лаборатории мы изначально думали, что тля с эндосимбионтом будет жить хуже, чем тля без эндосимбионта из-за концепции« ренты »."
Эта концепция, согласно которой положение тлей с эндосимбионтами Hamiltonella было хуже, чем тля без них, в отсутствие ос, была подтверждена предыдущими лабораторными экспериментами. Но, несмотря на это ожидание, авторы не обнаружили значимой связи между распространенностью ос и эндосимбионтами. Но они видели, что популяции тли со временем эволюционировали, причем распространенность эндосимбионтов в нескольких случаях быстро менялась. Наиболее четко с этими сдвигами коррелирует температура окружающей среды тлей.
Их результаты показывают, что «стоимость« аренды »выше для тлей, укрывающих этих эндосимбионтов, когда холодно», – сказал Рассел, который считает, что «на самом деле для тлей очень полезно иметь этих эндосимбионтов, когда тепло."
Авторы приходят к выводу, что динамика эндосимбионта и, следовательно, эволюция гороховой тли в реальном времени, вероятно, является результатом эволюционного феномена, известного как «балансирующий отбор», который происходит из-за изменения затрат и выгод от укрытия эндосимбионта при разных температурах.
Это сделает Гамильтонеллу хорошим другом в хорошую погоду, полезным, когда тепло, и вредным, когда нет. Хотя механизм этой сезонности остается неопределенным, их результаты позволяют предположить, что температура может служить основным фактором в возникновении эндосимбионтов Hamiltonella у тлей.
Это открытие стало возможным только потому, что команда провела свои наблюдения в полевых условиях. «Мы стремимся проводить наши лабораторные эксперименты в этих довольно одномерных лабораторных условиях, и температура поддерживается постоянной, – сказал Рассел, – поэтому эти лабораторные результаты не могут быть полностью перенесены,."
Эта работа представляет собой один из первых примеров исследования сезонной адаптации насекомых, которая возможна не за счет вариации генов насекомых, а за счет вариации их эндосимбионтов. Таким образом, он является одним из первых, кто показывает, что микробы, передаваемые от матери, обнаруживаемые у большинства видов насекомых, реагируют на маятниковую природу изменения окружающей среды в зависимости от времени года.
Учитывая долгосрочные тенденции глобального климата, также возможно, что эндосимбионты могут определять будущий успех видов насекомых в нашем быстро нагревающемся мире.