ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 413, № 5, с. 707-710
^ ОБЩАЯ ^^^^^^^^^^^^^^
БИОЛОГИЯ
УДК 574.2,574.24
АДАПТАЦИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ CAENORHABDITIS ELEGANS К ВЫСОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ КАК МОДЕЛЬ ЭВОЛЮЦИИ ТЕРМОТОЛЕРАНТНОСТИ ПОЙКИЛОТЕРМНЫХ METAZOA
© 2007 г. М. X. Гайнутдинов, А. X. Тимошенко, В. В. Гиндина, Т. М. Гайнутдинов, Т. Б. Калинникова
Представлено академиком Н.Г. Хрущовым 13.11.2006 г. Поступило 11.10.2006 г.
Организмы пойкилотермных (эктотермных) животных из-за отсутствия у них системы терморегуляции настроены в процессе эволюции на температурные условия их экологических ниш, которые варьируют в широких пределах [1-3]. Вопрос о механизмах эволюции термотолерантности пойкилотермных Metazoa представляет значительный интерес в связи с сильным влиянием глобального потепления климата Земли на численность и географическое распространение многих видов животных. Одним из возможных подходов к решению этого вопроса является моделирование эволюции термотолерантности в экспериментах с популяциями беспозвоночных с микроскопическими размерами тела и коротким жизненным циклом и лабораторными популяциями. Результаты этой работы показали, что такой удобной модельной системой для изучения эволюции термотолерантности Metazoa может быть сво-бодноживущая почвенная нематода Caenorhabditis elegans, которая широко используется как модельный организм в молекулярной генетике.
Эксперименты проводили с C. elegans дикой линии N2, полученной из Caenorhabditis Genetics Center Миннесоты, при выращивании их в суховоз-душных термостатах, поддерживающих постоянную температуру с точностью ±0.1°, на пластинках с агаром в чашках Петри диаметром 100 мм. Использовали стандартную среду выращивания нематод (СВН) [4] и E. coli OP50 для кормления червей. Микроскопические размеры C. elegans (~1 мм) при высокой скорости развития (3 дня) и плодовитости (300 потомков для гермафродита) позволили провести эксперименты с тремя большими по численности (-20000 особей) популяциями червей, которых адаптировали к последовательному повышению
Институт экологии природных систем Академии наук Республики Татарстан, Казань
температуры в диапазоне 26-27.5°C по схеме, представленной на рис. 1. Во время адаптации C. elegans к повышению температуры каждые семь дней всех червей со спонтанной двигательной активностью переносили на свежие пластинки с агаром и E. coli для удаления конечных продуктов обмена червей и бактерий. Эффективность адаптации оценивали по наличию особей, сохранявших фертильность при этих температурах, и по резистентности организма к экстремальной высокой температуре 36 и 37°C, которую измеряли индивидуально в экспериментах с 3-4-дневными особями в условиях, описанных ранее [5]. Дополнительно измеряли резистентность личинок первого возраста к окислительному стрессу, индуцированному паракватом, методом, описанным Хонда и Хонда [6].
Адаптацию C. elegans к высокой температуре проводили при непрерывном действии температуры 26°C, являющейся предельной для выращивания червей линии N2 [7], с последующими 14-дневными экспозициями к температурам 26.5, 27 и 27.5°C, в промежутках между которыми численность популяции восстанавливали в течение 4 дней при температуре 24°C. В этих экспериментах имитировалось многократное прохождение природных популяций через "горлышко бутылки" в условиях экстремального повышения температуры, снижающего численность популяции, с последующим восстановлением численности после прекращения сезонного повышения температуры. Все три популяции C. elegans после 30-дневной адаптации к 26°C оказались способны адаптироваться к температуре 26.5°C, так как часть особей сохраняла фертильность при этой температуре, а после трех экспозиций к 26.5°C линии, сформированные из части особей (n = 100) этих популяций, сохранялись при непрерывном действии температуры 26.5°C в ряду многих (>20) поколений.
707
9*
Рис. 1. Общая схема адаптации С. е^аш к повышению температуры среды.
Напротив, только две популяции из трех удалось адаптировать к температуре 27°С пятью экспозициями к этой температуре. Эта адаптация проявлялась в сохранении фертильности особей при 27°С и, как следствие, в сохранении линий, сформированных из особей этих популяций, при постоянной температуре 27°С на протяжении многих поколений. Часть особей популяций, адаптированных к повышению температуры, проявляла фертильность и при температуре 27.5°С. После пяти экспозиций к этой температуре удалось получить две линии червей с высокой термотолерантностью (ВТ1 и ВТ2), способных к выращиванию при 27.5°С. Однако в этих условиях наблюдалась постоянная низкая численность червей, обусловленная снижением не только плодовитости, но и продолжительности жизни и переходом большей части личинок III возраста в диапаузу. Последний, как известно, индуцируется переносимым повышением температуры [8].
Сохранение популяции С. е1е§аш при постоянной высокой температуре лимитируется верхним пределом температур для размножения, так как развитие сохраняется при повышении температуры до 29°С [7]. Следовательно, адаптация С. е1е-§аш к повышению температуры повысила на 1.5°С верхний предел температур для размножения и, как следствие, для существования лабораторных популяций. Как показано на рис. 2, эта
адаптация повысила не только устойчивость фертильности к неблагоприятному, но переносимому организмом повышению температуры, но также и резистентность особей к экстремальным тепловым воздействиям, которые обычно обратимо нарушают поведение или вызывают тепловую смерть.
В 60-х годах XX в. удалось постепенным и медленным (несколько лет) увеличением температуры повысить с 24.0°С до 24.5°С верхний предел температур для выращивания холодолюбивой C. elegans линии Bergerac, но измерения терморезистентности червей в этой работе не проводились [9]. Способность к размножению при 27.5°С и повышенные по сравнению с червями дикой линии N2 термостабильность локомоции при 36°С и выживаемость при 37°С сохранялись у потомков особей из популяций, адаптированных к высокой температуре, после выращивания их на протяжении ряда (>10) поколений при 20°С. Наследуемость адаптации C. elegans к высокой температуре свидетельствует о том, что основой этой адаптации является генетический ответ популяции на повторяющиеся и длительные тепловые стрессы. Появление вариантов с высокой теплоустойчивостью фертильности не может быть единственной причиной повышения верхнего предела температур для размножения из-за отсутствия в дикой линии N2 вариантов, способных к размножению при
АДАПТАЦИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ПОПУЛЯЦИИ CAENORHABDITIS ELEGANS
709
мин 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
(а)
N2 ВТ1 ВТ2
мин 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
(б)
N2 ВТ1 ВТ2
Рис. 2. Влияние адаптации лабораторных популяций С. е^аш к повышению температуры среды на термостабильность локомоции при 36°С и выживаемость при 37°С. По оси ординат: а - среднее время появления при 36°С ошибок моторной программы плавания, индуцированного сильным механическим стимулом (встряхивание пробирки с червем), заключающихся в нарушениях координации движений; б - среднее время тепловой смерти червей при 37°С. В каждом варианте эксперимента использовано 100 особей, инкубированных индивидуально в 1 мл СВН, из которой были исключены холестерин, пептон и агар. По оси абсцисс - линии червей С. elegans, выращенные при 20°С.
27°С. Последнее было показано ранее [8] и подтвердилось в 5 наших экспериментах с большими (~20000) выборками червей, выращиваемых при 20°С. Возможными причинами появления новых генетических вариантов с повышенной термотолерантностью в ходе адаптации С. е1е§аш к высокой температуре являются мутации и рекомбинации генов, спонтанные или индуцированные тепловым стрессом. Известно, что повышение частоты как мутаций, так и рекомбинаций под действием высокой температуры и других стрессов вызывает экспрессию генетической изменчивости ряда количественных признаков DrosopЫ1a [1012]. Эта экспрессия рассматривается как адаптивный генерализованный ответ на стресс, который может "вывести" популяцию из зоны стрессового воздействия и повысить ее эволюционный потенциал [10-11]. Высокая скорость адаптации С. е1е-§аш к повышению температуры среды в наших экспериментах находится в соответствии с этими представлениями, но необходимо специальное исследование для решения вопроса о том, вызывается ли тепловым стрессом экспрессия генетической изменчивости термотолерантности в ходе адаптации червей к высокой температуре. Результаты работы показывают глубокое сходство адаптации С. е1е§аш к повышению температуры в наших модельных экспериментах и эволюции термотолерантности пойкилотермных Metazoa:
1. При настройке большинства пойкилотермных Metazoa в ходе эволюции на параметры их температурных ниш однонаправленно изменялись такие признаки термотолерантности как верхние пределы температур для размножения, локомоции и выживания [1-3], хотя эти признаки и регулируются тремя системами генов [13]. Однонаправленность изменений этих признаков на-
блюдается и при адаптации С. е1е§Ш8 к высокой температуре.
2. Настройка пойкилотермных Metazoa на параметры их температурных ниш, различающиеся на десятки градусов, не сопровождалась изменениями их неспецифической резистентности к стрессам, генетические и физиологические механизмы которой высококонсервативны в эволюции [14]. Соответственно адаптация С. е1е§Ш8 к повышению температуры не изменяла неспецифическую резистентность к стрессам, так как резистентность к окислительному стрессу, который вызывался введением в среду параквата, у червей линий ВТ1 и ВТ2 та же, что и у червей линии N2. Дозы параквата, вызывающие 50%-ное снижение выживаемости личинок первого возраста у червей линии N2, те же (0.28 ± 0.03 мМ), что и у червей линий ВТ1 (0.27 ± 0.05 мМ) и ВТ2 (0.26 ± 0.04 мМ), хотя у червей мутантных линий с повышенной неспецифической резистентностью к стрессам эти дозы превышают 0.6 мМ [6].
3. Эволюция традиционно рассматривается как приспособление к ряду сред посредством взаимодействия таких ее главных сил, как мутационный процесс, поток генов и естественный отбор [15]
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.