ЭКОЛОГИЯ, 2011, № 5, с. 398-400
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 574.2
ТЕРМОТОЛЕРАНТНОСТЬ ОРГАНИЗМОВ ПОЧВЕННЫХ НЕМАТОД CAENORHABDITIS BRIGGSAE ЛИНИИ AF16 И CAENORHABDITIS ELEGANS
ЛИНИИ N2 В ЭКСПЕРИМЕНТЕ
© 2011 г. Т. Б. Калинникова, А. Х. Тимошенко, О. Ю. Тарасов, Т. М. Гайнутдинов, М. Х. Гайнутдинов
Институт проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан,
420087Казань, ул. Даурская, 28 E-mail: tbkalinnikova@gmail.com Поступила в редакцию 17.09.2010 г.
Ключевые слова: температура, эволюция, Caenorhabditis, нематода, термотолерантность.
Для изучения экологических закономерностей и механизмов эволюции термотолерантности пойки-лотермных (холоднокровных) животных в качестве модельного организма традиционно используется Drosophila (Hoffmann et al., 2003). В отличие от большинства пойкилотермных Metazoa (Андроников, 1999) у Drosophila высокой консервативностью обладает такой признак термотолерантности, как верхний предел температур для размножения (30°C независимо от широтности местообитаний) (Hoffmann et al., 2003). Новыми удобными модельными организмами для изучения эволюции термотолерантности Metazoa могут быть почвенные нематоды рода Caenorhabditis, так как в ранних исследованиях у них были выявлены сильные межвидовые и внутривидовые различия верхних пределов температур для размножения, коррелирующие с температурными условиями местообитаний (Fatt, Dougherty, 1963; Bran, 1965; Fodor et al., 1983). В то же время у Caenorhabditis не изучалась возможность наличия межвидовых различий в устойчивости к температурным экстремумам, которые являются следствием настройки организма на температурные условия существования вида у многих пойкилотермных Metazoa (Шмидт-Ниельсен, 1982; Hoffmann et al., 2003). Поэтому в настоящей работе исследовалась устойчивость к экстремальному повышению температуры двух видов Caenorhabditis (C. elegans и C. briggsae), линии которых выделены из популяций, обитающих соответственно в средних широтах и тропиках (Fatt, Dougherty, 1963; Fodor et al., 1983).
Червей диких линий C. elegans N2 и C. briggsae AF16, доступных в Caenorhabditis Genetics Center, выращивали на чашках Петри со стандартной средой выращивания нематод (СВН) и E. coli 0P50 (Brenner, 1974). Для определения верхнего предела температур для размножения, который лимитирует выращивание Caenorhabditis при высокой температуре среды, проведены эксперименты, в которых
повышением температуры до 27 и 28°C определяли верхний предел температур для выращивания C. elegans линии N2 и C. briggsae линии AF16.
Эксперименты по определению устойчивости поведения C. elegans и C. briggsae к действию теплового стресса проводили с червями трехдневного возраста, выращенными при 23°C и инкубированными индивидуально в 1 мл СВН, из которой были исключены агар, пептон и холестерин. В качестве показателей устойчивости поведения червей к действию постоянной высокой температуры (36 или 37°C) использовали среднее время нарушения моторной программы плавания, индуцированного механическим стимулом (встряхиванием пробирки с червем), которое проявлялось в нарушениях координации локомоторных мышц, необходимой для синусоидальных движений тела при плавании, и среднее время потери червями способности к локомоции, индуцированной механическим стимулом. В каждом из вариантов использовали по 30 червей. Измеряли базовую термостабильность поведения и термостабильность поведения после предварительной адаптации к высокой температуре. Эту адаптацию проводили на чашках Петри с СВН и E. coli 0P50 путем тепловой закалки червей (1 ч при температуре 33°C плюс 1 ч при 23°C) и экспозицией червей к переносимой высокой температуре 30°C в течение 2 ч. Статистическую обработку результатов проводили с использованием t-критерия Стьюдента.
В ранних исследованиях размножения C. ele-gans линии N2 верхним пределом была температура 26.5°C (Fatt, Dougherty, 1963), в то время как C. briggsae линии AF16 была способна размножаться при 27.5°C (Fodor et al., 1983). В наших экспериментах, проведенных в 2009 г., три лабораторные популяции C. briggsae сохранялись при постоянной температуре 28°C в виде активных червей всех возрастов при высокой численности на протяжении 14 недель. Численность популя-
ТЕРМОТОЛЕРАНТНОСТЬ ОРГАНИЗМОВ ПОЧВЕННЫХ НЕМАТОД 399
ции восстанавливалась на уровне не менее 10000 особей после еженедельного ее снижения перенесением 5—7% червей всех возрастов на свежую чашку с агаром и E. coli 0P50. Следовательно, верхний предел температур для размножения у C. briggsae линии AF16 не ниже 28°C.
Результаты параллельных экспериментов с C. ele-gans N2 показали, что культивирование червей этой линии при температуре 27°C невозможно. Известно, что верхний предел температур для размножения у Caenorhabditis значительно ниже верхних пределов температур для развития, поведения и выживания. Поэтому результаты наших экспериментов свидетельствуют о том, что у Caenorhabditis межвидовые различия устойчивости размножения к переносимому организмом, но длительному повышению температуры среды сохраняются при многолетнем культивировании червей в лаборатории.
Известно, что настройка организмов многих видов пойкилотермных Metazoa на температурные условия существования вида включает в себя адаптивные изменения устойчивости их поведения и выживания к кратковременному действию экстремальной высокой температуры среды (Шмидт-Ниельсен, 1982; Hoffmann et al., 2003). Результаты наших экспериментов показали, что эта закономерность проявляется и в эволюции термотолерантности Caenorhabditis. При действии постоянной высокой температуры 36°C среднее время нарушения координации локомоторных мышц, необходимой для синусоидальных движений тела при плавании, у C. briggsae составляет 95 ± 5 мин, у C. elegans — 21 ± 3 мин, а при 37°C это время у C. briggsae (23 ± 4 мин) примерно то же, что у C. elegans при 36°C. Приблизительно на 1°C повышена у C. briggsae по сравнению с C. elegans и устойчивость к более продолжительному тепловому стрессу, который прекращает способность червей к плаванию, индуцированному механическим стимулом (см. рисунок).
Следовательно, различия температурных условий существования C. briggsae и C. elegans проявились в однонаправленных различиях не только верхних пределов температур для размножения червей, но и устойчивости их поведения к действию экстремальной температуры среды. В то же время, как показано на рисунке, эти различия оказали слабое влияние на эффективность адаптации организмов Caenorhabditis к экстремальной высокой температуре тепловой закалкой и двухчасовой экспозицией червей к температуре 30°C. Тестирование этой эффективности проводилось при 36°C для C. elegans и при 37°C — для C. briggsae, так как базовая терморезистентность поведения C. briggsae на 1°C выше, чем у C. elegans. У C. briggsae эффект тепловой закалки выше эффекта адаптации к температуре 30°C, а в экспериментах с C. elegans соотношение этих эффектов противоположно, но различия эффектив-
ЭКОЛОГИЯ № 5 2011
36°C
T, мин 37°C C. elegans
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Влияние тепловой закалки и адаптации к температуре 30°С на резистентность организмов червей С.в^ат и С.Ъп^ае к экстремальной высокой температуре. 1 — без предварительных воздействий; 2 — адаптация к 30°С; 3 — тепловая закалка; *** — достоверность разницы (р < 0.001) между контролем (без предварительных воздействий) и опытом (тепловая закалка или адаптация к температуре 30°С).
ности адаптаций к высокой температуре между С. Ъriggsae и С. elegans незначительны по сравнению с различиями базовой термостабильности локомо-ции (см. рисунок).
Наши результаты показали, что, как и у большинства других пойкилотермных Ме1а2оа (Шмидт-Ниельсен, 1982; Андроников, 1999), эволюция термотолерантности CaenorhaЪdШs включает в себя однонаправленные изменения верхнего предела температур для размножения и базовой устойчивости поведения к экстремальному повышению температуры среды. Однонаправленность изменений этих двух признаков термотолерантности может объясняться двумя причинами:
1. При сезонных и суточных изменениях температуры среды в разные временные промежутки происходит естественный отбор как по теплоустойчивости фертильности в условиях умеренного, но длительного повышения температуры среды, так и по устойчивости поведения и выживания к кратковременным, но экстремальным тепловым стрессам.
2. Возможно, что теплоустойчивость фертильно-сти и устойчивость поведения к экстремальному тепловому стрессу являются у CaenorhaЪdШs сопряженными признаками, и поэтому отбор на повышение теплоустойчивости фертильности в условиях умеренного превышения физиологического опти-
400
КАЛИННИКОВА и др.
мума температуры повышает и устойчивость организма к экстремально высокой температуре.
Второе из этих объяснений более вероятно, так как суточные и сезонные колебания температуры в почве сглажены по сравнению с наземными и водными средами обитания, а отбор на увеличение теплоустойчивости фертильности C. elegans повышает и устойчивость поведения к экстремально высокой температуре (Гайнутдинов и др., 2007).
В связи с тем, что закономерность эволюции термотолерантности большинства высокоорганизованных пойкилотермных Metazoa (Шмидт-Ни-ельсен, 1982; Hoffmann et al., 2003), заключающаяся в однонаправленных изменениях верхних пределов температур для размножения и резистентности к экстремальному повышению температуры среды, проявляется и у Caenorhabditis, эти нематоды могут быть использованы дополнительно к Drosophila как удобные модельные организмы для изучения механизмов настройки пойкилотермных Metazoa на температурные условия существования вида. Для исследований могут быть использованы многочисленные линии нескольких видов Caenorhabditis, которые выделены из популяций, обитающих в контрастных температурных нишах, и сохраняются как в Caenorhabditis Genetics Center, так и в ряде научных лабораторий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Андроников В.Б. Терморезистентность гамет и температурные условия размножения пойкилотермных животных // Успехи соврем. биол. 1999. Т. 119. № 6. С. 548556.
Гайну
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.