Запах актинобактерий подсказал муравьям благоприятное место для колонии
Опасные инвазивные насекомые — красные огненные муравьи — находят подходящие места для строительства новых колоний по запаху веществ, которые выделяют актинобактерии. Эти же бактерии подавляют рост опасных для муравьев грибков и заодно используют насекомых для расселения. В тонкостях отношений муравьев, бактерий и грибков разобрались китайские биологи, которые описали их в журнале PLOS Pathogens.
Главная опасность для почвенных насекомых, в том числе муравьев, — паразитические грибки, которые поселяются под хитиновым панцирем насекомых и выделяют токсины, которые в конечном счете убивают хозяев. В числе таких грибков — знаменитый кордицепс, который меняет поведение муравьев, превращая их в «зомби». Ранее ученые выяснили, что рост таких грибков подавляют актинобактерии — именно они создают зоны, безопасные для насекомых. Но оставалось неясным, как именно муравьи находят такие зоны, где можно создать новую колонию.
Хунмей Хуан (Honmeig Huang) из Южно-Китайского сельскохозяйственного университета и его коллеги из КНР и Германии решили выяснить, как «безгрибковые зоны» находят красные огненные муравьи (Solenopsis invicta). Это инвазивные насекомые, их укусы могут быть опасны для людей. Первоначально они обитали в Южной Америке, а в 1990-е годы проникли в США, а с начала 21 века попали в Австралию, Новую Зеландию и Китай. Авторы исследования предположили, что муравьев привлекает запах геосмина или 2-метилизоборнеола — веществ, которые продуцируют актинобактерии. Именно этот запах, по их мнению, может служить для муравьев сигналом, указывающим, что на этом месте можно строить муравейник.
Чтобы проверить эту гипотезу, ученые исследовали образцы почв из разных мест обитания муравьев на двух участках в районе города Гуанчжоу. С помощью газовой хроматографии и масс-спектрометрии они искали в образцах геосмин и 2-метилизоборнеол, а затем с помощью полимеразной цепной реакции определяли, есть ли в почве актинобактерии. Количественный ПЦР-анализ подтвердил, что содержание Streptomyces и Nocardiopsis в почве было значительно выше на "благоприятных" участках. В почвах был обнаружен геосмин и 2-метилизоборнеол, причем их содержание было значительно выше в почве из благоприятных мест гнездования.
Кроме того, авторы подтвердили, какие именно грибки убивают муравьев. Для этого они собирали погибших маток и держали на влажной фильтровальной бумаге до тех пор, пока из их тел не вырастали грибы. Затем грибы собирали и выращивали в питательной среде. В результате они определили видовую принадлежность грибков — они относились к родам Aspergillus, Metarhizium и Beauveria, «родственница» знаменитого кордицепса Ophiocordyceps. В телах самок, погибших на благоприятной почве, не было найдено следов патогенных грибков.
В следующем эксперименте ученым нужно было убедиться, что бактерии действительно подавляют рост грибков. Для этого они выращивали грибки в чашке Петри, а затем добавляли актинобактерии. Все они оказались способными уменьшать рост грибов — диаметр колонии в чашке с добавлением бактерий был значительно меньше, чем в контроле (без них).
Наконец, в последней фазе эксперимента они определили, действительно ли муравьи могут отличать почву с актинобактериями. Они использовали ольфактометр — прибор, представляющий собой стеклянную камеру с тремя «коридорами». В двух из коридорах находились образцы почвы из благоприятных и неблагоприятных для муравьев мест, а третий, пустой, служил контролем. В центр камеры исследователи помещали около 40 рабочих муравьев и около десятка королев и наблюдали за их перемещениями: в какой из коридоров шли муравьи. Эксперимент повторяли пять раз, причем перед каждым повтором камеру протирали спиртом, чтобы стереть запаховые дорожки, меняли местами образцы почвы и запускали в лабиринт новых, еще «неопытных» муравьев. В результате было установлено, что около 170 муравьев из 200 исследуемых ползли в сторону рукава с благоприятной почвой.
Эти результаты подтверждают, что актинобактерии Streptomyces и Nocardiopsis действительно выделяют особые вещества, которые привлекают муравьев — геосмин и 2-метилизоборнеол, и сами почвенные бактерии подавляют рост энтомопатогенных грибов, способных причинить вред муравьиной семье. Полученные данные, как отмечают ученые, — первое подтверждение влияния химических сигналов почвенных микроорганизмов на выбор гнезда для только что спарившихся маток.
Красный огненный муравей является одним из самых опасных видов инвазивных муравьев, вредителем сельскохозяйственных культур. Полученные данные могут помочь сдержать распространение S. invicta путем изменения почвенной микробиоты.
Наталья Гуськова
Ученые впервые вызвали партеногенез геномным редактированием
Генетики из американских и британских университетов обнаружили, какие гены отвечают за факультативный партеногенез у дрозофил. Они внесли точечные изменения в мушиные гены, влияющие на текучесть мембран (Desat2), образование центриолей (Polo) и скорость пролиферации (Myc). Мухи-самки из созданной генетической линии успешно вступали в половое размножение, но были при этом способны к партеногенезу как минимум на протяжении двух поколений. Исследование опубликовано в журнале Current Biology. Партеногенез — развитие живых организмов из неоплодотворенной яйцеклетки — широко распространен среди животных. На филогенетическом древе чисто партеногенетические виды нередко соседствуют с практикующими «обычное» половое размножение. Иногда и вовсе удается описать спорадические случаи появления партеногенеза у отдельных представителей непартеногенетических видов. Следовательно, генетическая подоплека партеногенеза может возникать быстро по эволюционным меркам и должна быть в этом случае относительно несложной. Но конкретные молекулярные механизмы партеногенеза часто остаются нерасшифрованными. У мух, неспособных к партеногенезу, яйцо приостанавливается на стадии метафазы I мейоза, а дальнейшее развитие (завершение деления, отделение полярных телец и дальнейшие митотические деления) продолжается лишь после оплодотворения. Но встречаются и факультативно партеногенетические линии, в которых партеногенетические потомки составляют от десятых долей до десяти процентов популяции. Доктор Алексис Сперлинг (Alexis L. Sperling) из Кембриджского Университета с коллегами из американских университетов Мемфиса и Калифорнийского технологического исследовала механизм возникновения факультативного партеногенеза у мух вида Drosophila mercatorum. Генетики отобрали и секвенировали геномы и транскриптомы факультативно и облигатно партеногенетических штаммов D. mercatorum и сопоставили их между собой. При партеногенезе была изменена экспрессия 44 генов, связанных в основном с формированием центриолей и регуляцией клеточного цикла. Несмотря на то, что предки D. mercatorum и более изученной D. melanogaster разошлись более 40 миллионов лет назад, данные сравнительной геномики позволяют воссоздавать на более известном модельном объекте изменения, обнаруженные в геноме менее известного. Ученые воссоздали у D. melanogaster выявленные изменения активности генов, прибегая к CRISPR-редактированию генома, дупликациям генов, введению в геном генов антисмысловых РНК или энхансерных последовательностей. Самый высокий уровень партеногенеза был зарегистрирован в группах трансгенных D. melanogaster, у которых была повышена активность генов Polo (регулятор образования центриолей) или Myc (регулятор клеточного цикла), либо понижена активность генов Slmb (убиквитиновая лигаза, способствующая деградации Myc) и Desat2 (фермент, синтезирующий ненасыщенные жирные кислоты и регулирующий текучесть мембран). У каждого третьего облигатно партеногенетического яйца D. mercatorum полярные тельца или женские пронуклеусы вступали в митотические деления, давая начало эмбрионам (такая же картина наблюдалась в каждом восьмом случае факультативно партеногенетических линий). Количество полярных телец, способных спонтанно вступать в митоз (и тем самым формировать эмбрион) повышалось при повышении активности генов Myc и Polo. При этом многие мухи из партеногенетических линий после целлюляризации становятся недиплоидными (чаще всего, триплоидными) из-за нарушения образования веретена деления. Ученые получили 21 тысячу мух-самок D. melanogaster, гомозиготных по мутантным аллелям генов Polo, Myc и Desat2, и содержали их в отсутствии самцов. В общей сложности самки дали 143 взрослых потомка (в среднем 0,7 потомка на 100 мух), а у тех, в свою очередь, появилось два партеногенетических взрослых потомка второго поколения (1,4 процента от численности предыдущего поколения). Таким образом, линия животных, способных к партеногенезу на протяжении нескольких поколений, была впервые получена при помощи геномного редактирования. На основании полученных данных авторы предполагают следующий механизм факультативного партеногенеза. Повышение текучести мембран (цитоплазматической и мембраны эндоплазматического ретикулума) влияет на формирование центра организации микротрубочек и, следовательно, веретена деления. Его образование упрощает вступление в митоз. Такие изменения могли стать эволюционно выгодным приобретением при расселении мух в более холодные регионы (повышение текучести мембран, связанное со снижением активности десатураз, улучшает выживаемость мух при низких температурах). Впрочем, детали возникновения партеногенетических линий мух пока не до конца изучены — судя по диспропорции между небольшими изменениями в геноме и выраженным транскриптомным изменениями, часть изменений у партеногенетических D. mercatorum может носить эпигенетический характер (важность эпигенома для партеногенеза ранее была показана в эксперименте на мышах). О медийной шумихе вокруг возможности партеногенеза у человека и о генетических предпосылках к нему читайте в нашем материале «Половинка себя».