Разнообразие пищевого поведения у нематоды Caenorhabditis elegans поддерживается балансирующим отбором

Рис. 1. Методика измерения двигательной активности C. elegans. Животное помещают в чашку Петри диаметром 35 мм, в которой на поверхности агара находится равномерный «газон» из бактерий Escherichia coli, которыми питается червь. Спустя 16 часов по следам ползания подсчитывают число квадратов координатной сетки, посещенных червем. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Оптимальная стратегия добычи пропитания зависит от численности конкурентов. Нематоды C. elegans «учитывают» это, меняя свое пищевое поведение в зависимости от ситуации. Эти черви выделяют феромоны, по концентрации которых можно судить о плотности населения. Низкая концентрация феромонов в среде стимулирует активное ползание в поисках еды, а высокая способствует снижению двигательной активности. Как выяснилось, в популяциях C. elegans существует наследственный диморфизм по силе реакции на один из феромонов: при росте его концентрации одни особи резко снижают свою активность, в то время как другие этого не делают. Американские генетики расшифровали генетические основы этих поведенческих различий и показали, что диморфизм сохраняется благодаря балансирующему отбору. Если пища распределена равномерно, преимущество получают особи с сильной реакцией на феромон, а при «пятнистом» распределении ресурса в выигрыше оказываются черви, продолжающие активно ползать даже при высокой численности.

У некоторых видов живых существ устойчиво сохраняется дискретный полиморфизм по тем или иным фенотипическим признакам. Это требует объяснений, потому что, казалось бы, если приспособленность одного из фенотипов выше, он должен закрепиться под действием отбора, а остальные варианты должны исчезнуть. Даже если приспособленности двух фенотипов строго одинаковы, всё равно один из них рано или поздно должен закрепиться, а другой — потеряться в результате генетического дрейфа.

Считается, что основная причина устойчивого сохранения полиморфизма — балансирующий отбор, то есть такой отбор, который поддерживает то одно, то другое состояние признака в зависимости от обстоятельств. Например, полезность признака может быть связана обратной зависимостью с частотой его встречаемости. В результате становится выгодно быть обладателем редкого варианта признака (см.: Доминантные самцы оказываются в проигрыше, когда их слишком много, «Элементы», 21.11.2011). В этом случае говорят о частотно-зависимом балансирующем отборе. Другая разновидность балансирующего отбора связана с переменчивостью условий среды: например, в холодную погоду может получать преимущество один фенотип, в теплую — другой (подробнее о механизмах поддержания полиморфизма см. в новости Муравьи помогают тлям сохранять разнообразие окраски, «Элементы», 19.09.2016).

Хорошо изученных случаев балансирующего отбора по наследственным поведенческим признакам пока мало. Классический пример — полиморфизм пищевого поведения личинок дрозофил (Drosophila melanogaster), определяемый геном for (foraging). Два встречающихся в природе варианта этого гена, forR и fors, соответствуют двум поведенческим фенотипам: rover («бродяга») и sitter («домосед»). Бродяги активно перемещаются в поисках корма, а домоседы предпочитают оставаться на месте, тщательно выедая всё вокруг себя. Как выяснилось, в условиях дефицита пищи селективное преимущество получает более редкий из двух фенотипов: если все кругом бродяги, выгодно быть домоседом, но если домоседов много, становится выгоднее быть бродягой (M. J. Fitzpatrick et al., 2007. Maintaining a behaviour polymorphism by frequency-dependent selection on a single gene).

В новой статье, опубликованной на сайте журнала Nature, американские генетики сообщают о сходной (хотя и отличающейся в деталях) ситуации, которую они обнаружили у другого модельного объекта, тоже, казалось бы, вдоль и поперек изученного — нематоды Caenorhabditis elegans.

Эти черви выделяют феромоны — аскарозиды, играющие важную роль в их социальном и половом поведении (см.: A. H. Ludewig & F. C. Schroeder, 2012. Ascaroside signaling in C. elegans). Набор аскарозидов, выделяемых червем, зависит от его пола, возраста и физиологического состояния, что позволяет нематодам подстраивать свое поведение к текущей социальной обстановке. В частности, высокая концентрация некоторых аскарозидов стимулирует формирование «спящей» дауэровской личинки (см.: Параллелизмы — результат быстрой эволюции сенсорных рецепторов, «Элементы», 20.09.2011). В этом есть очевидный адаптивный смысл: формирование спящей личинки — это способ переждать голодные времена, а высокая концентрация аскарозидов в среде свидетельствует о перенаселении и, следовательно, о возможном дефиците пищи.

Исследователи предположили, что аскарозиды, помимо прочего, могут влиять на пищевое поведение нематод. Подобно личинкам дрозофил, нематоды либо активно ползают в поисках пищи, либо остаются на месте, питаясь тем, что есть поблизости. Обычно черви с той или иной частотой переключаются из оседлого состояния (dwelling state) в подвижное (roaming state) и обратно. Переход регулируется нервными клетками, которые отвечают на внутренние физиологические сигналы (соответствующие, например, голоду) выделением нейромодуляторов, которые, в свою очередь, влияют на активность нейронных сетей, управляющих ползанием.

Чтобы проверить, влияют ли аскарозиды на пищевое поведение, исследователи помещали червей поодиночке в чашку Петри с питательной средой, в которую добавлялось то или иное количество аскарозидов, и оценивали их двигательную активность по числу квадратов координатной сетки, посещенных червем за определенное время (рис. 1).

В результате удалось выявить четыре аскарозида (ascr#2, ascr#3, ascr#8, icas#9), на которые черви реагируют резким снижением двигательной активности. При этом другие аскарозиды, регулирующие формирование дауэровской личинки (такие как ascr#5), почти не влияют на пищевое поведение (рис. 2). Сильнее всего подавляют двигательную активность аскарозиды ascr#8 и icas#9. Даже небольшое повышение концентрации любого из них ведет к уменьшению скорости ползания и продолжительности подвижных фаз (характеристики оседлых фаз при этом не меняются).

Рис. 2. Структура различных аскарозидов (слева) и их влияние на двигательную активность червей (справа). Высота столбиков отражает силу реакции на феромон, то есть то, насколько меньше квадратиков координатной сетки посетил червь за 16 часов в присутствии феромона по сравнению с контрольным опытом без добавления феромона. Непосредственно под горизонтальной осью показано количество протестированных червей, ниже указана концентрация феромона. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Эти эксперименты проводились с одним из лабораторных штаммов C. elegans. Попытка воспроизвести полученные результаты на пяти других штаммах дала неожиданный результат: оказалось, что один из штаммов, MY14, происходящий из Германии, практически не реагирует на icas#9 и продолжает активно ползать в его присутствии, хотя на другие три феромона он реагирует как все.

Чтобы выяснить генетические основы нечувствительности штамма MY14 к феромону icas#9, авторы скрестили его со «стандартными» червями дикого типа, чувствительными к этому феромону (штамм N2). Из полученного гибридного потомства вывели 94 инбредные линии, которые продемонстрировали весь спектр возможных фенотипов: от нормальной чувствительности к icas#9 до полной нечувствительности. Данный результат говорит о том, что на чувствительность к феромону влияет более двух генов. Правда, секвенирование геномов этих линий и поиск ассоциаций (см. genome-wide association study) позволили выявить только один участок на пятой хромосоме червя, вариабельность которого достоверно коррелирует с силой реакции на icas#9. Обнаруженный локус (quantitative trait locus, QTL) получил название roam-1. Дальнейшие скрещивания и тесты показали, что вариабельность по roam-1 объясняет от 35% до 45% вариабельности по силе реакции на icas#9 (в зависимости от генетического контекста). Наверняка существуют и другие локусы, влияющие на данный признак, но их влияние слабее, и выявить их пока не удалось.

Поэтому авторы сосредоточились на roam-1. В пределах идентифицированного участка пятой хромосомы длиной 37 тысяч пар оснований находится 16 белок-кодирующих генов, в том числе 5 генов хеморецепторов. Эксперименты с трансгенными червями показали, что ключевую роль в поведенческих различиях играет ген srx-43, причем не белок-кодирующая часть гена, а регуляторная (промотор). Хеморецептор, кодируемый геном srx-43, синтезируется в сенсорных нейронах определенного типа (ASI). Как выяснилось, он действительно реагирует на icas#9. По-видимому, эти нейроны регулируют двигательную активность, выделяя сигнальный пептид, кодируемый геном daf-7, а экспрессия этого гена, в свою очередь, регулируется рецептором SRX-43. Вариант промотора гена srx-43, характерный для червей MY14, обеспечивает пониженный в пять раз уровень экспрессии srx-43 в нейронах ASI по сравнению с тем вариантом промотора, который характерен для червей N2. Этим и объясняется пониженная реакция MY14 на феромон icas#9 по сравнению с N2.

Установив эти факты, авторы отсеквенировали локус roam-1 (участок пятой хромосомы длиной в 20 тысяч пар оснований с геном srx-43 посередине) у 152 штаммов C. elegans с разных концов мира. Выяснилось, что всё генетическое разнообразие в этом участке распадается на два четко различающихся кластера (гаплотипа): последовательности, похожие на MY14, и последовательности, похожие на N2. Первый гаплотип обеспечивает низкую чувствительность к icas#9, второй — высокую. Оба гаплотипа возникли давно и встречаются в самых разных генетических контекстах по всему миру. Гаплотип MY14 встречается реже (21 случай из 152). При этом во всех точках, где были найдены черви с гаплотипом MY14, были также встречены и черви с гаплотипом N2. Таким образом, эти формы, по-видимому, сосуществуют в одних и тех же местообитаниях.

Эти результаты говорят о том, что два аллельных варианта локуса roam-1 (гаплотипы MY14 и N2), скорее всего, находятся под действием балансирующего отбора, который дает преимущество то одному, то другому варианту, не позволяя им вытеснить друг друга.

Проверить гипотезу о балансирующем отборе можно двумя способами. Во-первых, можно применить статистические тесты, такие как Tajima’s D, разработанные биоинформатиками специально для обнаружения в геномах следов действия разных форм отбора. Это было сделано, и результаты совпали с предсказаниями гипотезы о балансирующем отборе.

Во-вторых, можно попытаться экспериментально показать, что в одних ситуациях более конкурентоспособны черви с гаплотипом N2, а в других преимущество оказывается на стороне MY14. Это тоже было с успехом проделано. Конкурентные эксперименты на C. elegans ставить удобно, потому что не нужно придумывать сложных ухищрений, чтобы предотвратить скрещивание конкурирующих штаммов. Ведь у этих червей нет самок, а есть самцы и гермафродиты, способные к самооплодотворению. Достаточно не допускать в эксперимент самцов — и никто ни с кем скрещиваться точно не будет.

Оказалось, что в условиях дефицита пищи (бактерий E. coli) черви N2 размножаются лучше и постепенно вытесняют червей MY14, но только в том случае, если пища распределена по субстрату равномерно. В этой ситуации, по-видимому, выгодно при росте численности популяции переходить от активного «поиска лучшей жизни» к тщательному выеданию того, что есть поблизости. Если же пища распределена по субстрату мелкими порциями, слабое, но достоверное селективное преимущество оказывается на стороне червей MY14. Видимо, в этом случае выгоднее продолжать поиск, даже если численность конкурентов высока.

Таким образом, два варианта локуса roam-1 находятся под действием балансирующего отбора. Причем это не частотно-зависимый отбор, как у личинок дрозофил (селективное преимущество гаплотипов в проведенных экспериментах не снижалось по мере роста относительной численности), а отбор, порождаемый разнообразием условий среды. В природе черви сталкиваются то с равномерным, то с «пятнистым» распределением пищевых ресурсов, и поэтому ни один из гаплотипов не может получить решительного преимущества и полностью вытеснить другой.

Возможно, балансирующий отбор в итоге окажется более важным фактором поддержания поведенческого разнообразия, чем принято считать. Во всяком случае, копилка строго документированных случаев такого отбора постепенно пополняется.

Источник: Joshua S. Greene, Maximillian Brown, May Dobosiewicz, Itzel G. Ishida, Evan Z. Macosko, Xinxing Zhang, Rebecca A. Butcher, Devin J. Cline, Patrick T. McGrath & Cornelia I. Bargmann. Balancing selection shapes density-dependent foraging behaviour // Nature. Published online 31 October 2016. DOI: 10.1038/nature19848.

См. также о механизмах поддержания полиморфизма:
1) Честные дрожжи и дрожжи-обманщики могут жить дружно, «Элементы», 20.04.2009.
2) Доминантные самцы оказываются в проигрыше, когда их слишком много, «Элементы», 21.11.2011.
3) Почему половой отбор не может обеспечить всех баранов большими рогами, «Элементы», 07.10.2013.
4) Групповой отбор помогает социальным паукам адаптироваться к местным условиям, «Элементы», 07.10.2014.
5) Муравьи помогают тлям сохранять разнообразие окраски, «Элементы», 19.09.2016.

Александр Марков