гусеница наездник тип отношений
В то время как человечество делает первые шаги в развитии генной терапии, выяснилось, что ее метод давно применили насекомые из подотряда стебельчатобрюхих, известные под названием наездники.
Как хорошо знали биологи и раньше, наездники с помощью своего длинного острого яйцеклада откладывают яйца в тело других насекомых, например, гусениц. В конце концов, личинки наездника, развиваясь в теле хозяина, губят его. Но, как выяснилось недавно, гусеницы также получили от наездников вирус, содержащий генетическую конструкцию, которая защищает гусеницу от другого, смертельного для нее вируса.
Затем исследователи перешли от изучения компьютерной базы данных к выделению ДНК из насекомых. Здесь им удалось не только обнаружить фрагменты ДНК вируса в геноме бабочек, но и обнаружить еще более интересный факт. Оказывается, иногда браковирусы захватывают гены из генома своего первоначального хозяина наездника, а потом встраивают их в геном гусеницы. Определив, что гены вируса и наездника были активны в организме гусениц и передавались на протяжении многих поколений (гусеницы получили их примерно 100 миллионов лет назад), исследователи задумались над их ролью в жизни насекомого.
Дрезан и его коллеги продемонстрировали, что те же самые гены браковирусов, которые оказывают разрушительное действие на цитоскелет в клетках гусеницы, препятствуют размножению в ее организме бакуловирусов. При этом браковирус может несколько нарушить функционирование цитоскелета, но это не оказывается фатальным для гусеницы. Зато она становится защищенной от куда более серьезной опасности.
Авторы заключают, что ряд видов бабочек из-за получения ими фрагментов генома вируса и наездника, оказываются природными генетически модифицированными организмами. Ранее такой тип переноса генов наблюдался в природе преимущественно у бактерий, которые, например, делятся друг с другом генами, обеспечивающими устойчивость к антибиотикам. Ученые говорят, что это открытие должно напомнить нам о двух вещах: что генетически модифицированные организмы встречаются в природе, и что у любого гена в экосистеме есть потенциал для распространения между видами.
Результаты исследования опубликованы в электронном научном журнале PLOS Genetics.
Тест по теме Взаимоотношения между организмами
А) растения-эпифиты на стволе дерева
Б) гнездовые птицы и мелкие насекомые, живущие в их гнёздах
В) бактерии рода Ризобиум и бобовые
Г) копытные и воловьи птицы
Д) микориза подосиновика и корней ели
Е) светолюбивые травы в густом еловом лесу
1) комменсализм
2) симбиоз
3) аменсализм
Верный ответ: 112223
Симбиоз (2): бактерии ризобиум (=клубеньковые бактерии) находятся в взаимовыгодных отношениях с бобовыми (В), воловьи птицы сами питаются, помогая очистить копытных (Г), микориза подосиновика нуждается в большем количестве воды и минералов, а дереву выгодно, что микориза, словно корневые волоски, увеличивает всасывание веществ (Д).
Хищничество. Лиса охотится на зайца (1). Насекомоядные птицы питаются жуками, в том числе майскими (3). Человек употребляет в пищу свиней (4).
Верный ответ: 122211
Хищничество (2). Уж питается лягушками и мелкими грызунами (Б). Божьи коровки питаются тлей (В). Лиса охотится на зайца (Г).
Наездник – враг и друг гусеницы
В то время как человечество делает первые шаги в развитии генной терапии, выяснилось, что ее метод давно применили насекомые из подотряда стебельчатобрюхих, известные под названием наездники.
Как хорошо знали биологи и раньше, наездники с помощью своего длинного острого яйцеклада откладывают яйца в тело других насекомых, например, гусениц. В конце концов, личинки наездника, развиваясь в теле хозяина, губят его. Но, как выяснилось недавно, гусеницы также получили от наездников вирус, содержащий генетическую конструкцию, которая защищает гусеницу от другого, смертельного для нее вируса.
Обнаружил это Жан-Мишель Дрезан (Jean-Michel Drezen) из Университета имени Франсуа Рабле во французском городе Туре. Он изучает нюансы взаимоотношений наездников и гусениц в течение десятилетий. Особый интерес для него представляют вирусы из рода Bracovirus, который около 190 миллионов лет назад вступил в симбиоз с наездниками из семейства браконид (Braconidae). Сейчас известно 32 вида этих вирусов. Вирус содержится в организме наездника, а в момент откладки яиц попадает в гусеницу. Там вирусные гены подавляют действие иммунной системы гусеницы, что позволяет яйцам и личинкам наездника спокойно развиваться внутри ее организма. Действие вируса на клетки иммунной системы заключается в разрушении цитоскелета – динамического каркаса в виде сети из нитей и трубочек, который обеспечивает перемещение веществ и органоидов клетки («внутриклеточный транспорт») и ее деление. Как показали исследования на примере наездника Cotesia congregata, в ДНК самцов наездников присутствуют гены, блокирующие развитие вируса, так что он имеется только у наездников-самок, которым предстоит отложить яйца.
Но, когда Дрезан обнаружил, что гусеницы используют фрагменты вирусной ДНК, он был весьма удивлен. «Я не мог в это поверить, – говорит ученый, – мы совсем не ожидали этого». Чтобы понять взаимодействие между вирусом, гусеницей и наездником Жан-Мишель Дрезан и его коллеги проанализировали базу данных ДНК нескольких видов бабочек в поисках фрагментов ДНК браковирусов. И им удалось найти несколько нуклеотидных последовательностей, подобных сегменту ДНК вируса. Видимо, в эволюционной истории были редкие случаи, когда зараженная наездником гусеница выживала, превращалась в бабочку и давала потомство, от которого происходили линии бабочек с вирусным фрагментом в геноме.
Затем исследователи перешли от изучения компьютерной базы данных к выделению ДНК из насекомых. Здесь им удалось не только обнаружить фрагменты ДНК вируса в геноме бабочек, но и обнаружить еще более интересный факт. Оказывается, иногда браковирусы захватывают гены из генома своего первоначального хозяина наездника, а потом встраивают их в геном гусеницы. Определив, что гены вируса и наездника были активны в организме гусениц и передавались на протяжении многих поколений (гусеницы получили их примерно 100 миллионов лет назад), исследователи задумались над их ролью в жизни насекомого.
Карта генетических последовательностей браковирусов в геноме бабочек
Дальнейшие исследования, проведенные как на клеточных культурах, так и на живых насекомых показали, что два из полученных генов обеспечивают гусеницам защиту от другой группы вирусов – бакуловирусов (семейство Baculoviridae). Эти вирусы заражают гусениц и других насекомых, как правило, когда те едят растения. Попав в организм, бакуловирусы вызывают быстротечное заболевание, которое кончается гибелью насекомого. В некоторых случаях вирус остается внутри насекомого в неактивном состоянии, тогда он способен передаваться от родителей к потомству на протяжении поколений, пока не активизируется.
Дрезан и его коллеги продемонстрировали, что те же самые гены браковирусов, которые оказывают разрушительное действие на цитоскелет в клетках гусеницы, препятствуют размножению в ее организме бакуловирусов. При этом браковирус может несколько нарушить функционирование цитоскелета, но это не оказывается фатальным для гусеницы. Зато она становится защищенной от куда более серьезной опасности.
Авторы заключают, что ряд видов бабочек из-за получения ими фрагментов генома вируса и наездника, оказываются природными генетически модифицированными организмами. Ранее такой тип переноса генов наблюдался в природе преимущественно у бактерий, которые, например, делятся друг с другом генами, обеспечивающими устойчивость к антибиотикам. Ученые говорят, что это открытие должно напомнить нам о двух вещах: что генетически модифицированные организмы встречаются в природе, и что у любого гена в экосистеме есть потенциал для распространения между видами.
Результаты исследования опубликованы в электронном научном журнале PLOS Genetics.
В отношениях растения, гусеницы-вредителя, осы-наездника и ее гиперпаразитоида важную роль играет поли-ДНК-вирус
Рис. 1. Оса-паразитоид (скорее всего, Cotesia glomerata) откладывает яйца в еще маленьких гусениц (слева). Через пару недель из подросших гусениц появляются личинки осы и вскоре начинают окукливаться. Фотографии с сайта scribol.com
Симбиоз паразитоидной осы с вирусом позволяет подавлять иммунитет гусениц, в которых осы откладывают яйца. Вирус также способен регулировать активность генов гусеницы, что влияет еще и на защитную реакцию растения на гусеницу. Всё это обеспечивает повышенное выживание личинок осы и, как следствие, помогает вирусу. Однако у этого сотрудничества есть и оборотная сторона: изменяется запах растения, на котором кормятся гусеницы, что позволяет врагу осы (осе-гиперпаразитоиду) находить ее личинки и откладывать в них яйца.
Поскольку живые организмы почти всегда делят жизненное пространство с кем-то еще, в ходе эволюции выработались разнообразные варианты «совместной жизни». Надо сказать, что природа и здесь оказалась крайне изобретательной: среди этих вариантов есть как достаточно простые (например, мирное сосуществование или отношения хищника и жертвы), так и весьма замысловатые, какими иногда бывают симбиотические или паразитические связи (кстати, и люди не избежали этого, см. микрофлора человека).
При симбиозе оба организма получают выгоду от сотрудничества (см., например, новость Бактерии-симбионты, разлагающие для термитов древесину, еще и связывают для них атмосферный азот, «Элементы», 11.12.2008), а при паразитизме одна из сторон, как правило, пользуется организмом другой, нанося вред (о разных формах паразитизма можно прочитать в новости Как паразиты превращают своих хозяев в зомби, «Элементы», 04.03.2013). Однако на условной шкале «симбиоз — паразитизм» взаимодействия между организмами не ограничиваются только двумя крайними вариантами. Во-первых, паразит может приносить не только вред, но и пользу (Молодые паразиты берегут хозяина, зрелые загоняют его хищнику в пасть, «Элементы», 06.06.2011). Во-вторых, паразит бывает настолько заинтересован в выживании его хозяина, что повышает его жизнеспособность и репродуктивный успех, становясь его симбионтом (Симбиотическая бактерия распространяется, заставляя зараженных самок рожать дочерей, «Элементы», 19.04.2011).
Одна из таких историй произошла при «одомашнивании» вируса осами. Осы-наездники откладывают свои яйца в тела других насекомых, например гусениц. В живой гусенице из яиц вылупляются личинки, которые продолжают в ней жить и питаются ее тканями, постепенно ее убивая (рис. 1), — то есть наездники являются паразитоидами. Сейчас известно, что у этих ос есть небольшой помощник — поли-ДНК-вирус (polydnavirus, PDV), который они впрыскивают в тело жертвы вместе с яйцами и небольшим количеством яда. Этот вирус помогает им подавить иммунную систему хозяина, чтобы тот не сильно сопротивлялся (Наездники подавляют иммунную защиту своих жертв при помощи прирученных вирусов, «Элементы», 12.02.2009).
Две группы ученых — одна из США, другая из Нидерландов и Германии — параллельно исследовали вопрос взаимоотношений паразитоидов с их вирусами. Группы работали с разными видами, но полученные ими результаты (опубликованные одновременно) прекрасно дополняют друг друга.
Первая группа выращивала помидоры, на которых кормятся гусеницы американской кукурузной совки (Helicoverpa zea). В этих гусениц откладывают яйца наездники Microplitis croceipes. Ученые из США пытались разобраться в том, почему защитная реакция растения на поедание его гусеницами различается в зависимости от того, заражены гусеницы личинками ос или нет.
Растения могут реагировать на повреждения, выделяя защитные белки: ингибитор трипсина (trypsin inhibitor, TI) и полифенол оксидазу (polyphenol oxidase, PPO). Повышенная активность этих веществ приводит к снижению скорости роста гусениц (G. W. Felton et al., 1989. Activation of plant foliar oxidases by insect feeding reduces nutritive quality of foliage for noctuid herbivores). Ученые сначала оставляли гусениц на 10 часов на ограниченном участке «зелени» томата, а через два дня замеряли уровень защитных белков. Оказалось, что уровни обоих белков были ниже у растений, на которых кормились зараженные гусеницы, чем у растений, на которые сажали здоровых гусениц.
Проверка активности генов, отвечающих за выработку PPO, а также других защитных молекул — треонин дезаминазы (threonine ammonia-lyase), ингибиторов протеиназ, терпенов, фенолов и глюкокортикоидов — подтвердила отсутствие нормальной активации защитных механизмов растения в ответ на повреждения от гусениц, зараженных личинками ос.
Ученые предположили, что воздействие на растение может происходить через слюну гусениц. И действительно, та же разница в реакции растения воспроизводится при нанесении слюны зараженных и здоровых гусениц на искусственно поврежденные участки листьев.
Активность глюкозооксидазы (GOX) — белка иммунной системы гусеницы, в большом количестве содержащегося в слюне, на который, как было показано ранее, обычно и реагируют растения (D. Tian et al., 2012. Salivary Glucose Oxidase from Caterpillars Mediates the Induction of Rapid and Delayed-Induced Defenses in the Tomato Plant), — а также кодирующего его гена оказались значительно снижены у зараженных гусениц по сравнению со здоровыми. Разница оказалась заметной уже на четвертый день после заражения (рис. 2, слева). Причем это снижение наблюдалось и после искусственного введения в здоровую гусеницу поли-ДНК-вируса осы без ее яиц. Мало того: реакция растения на такую гусеницу была идентична реакции на гусеницу, зараженную осой. Из этого исследователи заключили, что именно вирус, а не личинки осы, ответственны за изменение защитной реакции растения на гусеницу.
Рис. 2. Активность глюкозооксидазы (GOX) по скорости расщепления нитрофенол глюкозида. Слева — в момент заражения, через 2, 4 и 6 дней после заражения гусеницы (P) по сравнению со здоровыми гусеницами того же возраста (NP). Разные буквы над столбиками обозначают значимые различия. Справа — в результате инъекции в здоровую гусеницу вируса (сине-серый кружок), яда (пробирка с зеленой жидкостью), яиц осы (три черточки) или буферного раствора (PBS) в разных комбинациях. Иллюстрации из обсуждаемых статей в PNAS
Также исследователи продемонстрировали, что наблюдаемые изменения в реакции растения благотворно влияют на рост гусениц. А это выгодно поедающим ее изнутри личинкам осы. Для этого они кормили одних зараженных гусениц на растениях, обработанных слюной здоровых гусениц, а других — на растениях, обработанных слюной зараженной гусеницы. Последние показали значимо большую скорость роста (рис. 3). А развивающиеся в них личинки выживали почти в два раза чаще, чем в гусеницах, которые кормились на растениях, обработанных слюной незараженной гусеницы.
Рис. 3. Скорость роста зараженных гусениц (грамм в день) кормящихся на нетронутом растении (С), на растении, обработанном слюной незараженной гусеницы (NP) и слюной зараженной гусеницы (P). Диаграмма из дополнительных материалов к обсуждаемой статье C.-W. Tan et al. в PNAS
Выходит, что поли-ДНК-вирус не только снижает защитную реакцию гусеницы на личинок, но и через регуляцию белков слюны делает гусеницу менее заметной для защитных механизмов растения. В результате гусеницы лучше растут и личинкам осы достается больше еды.
Исследователи из Германии и Нидерландов изучили обратную сторону дружбы осы и вируса. Они обнаружили, что вирус не только помогает потомству осы, но и вредит ему, причем «не нарочно», если можно так сказать. Происходит это в результате целой цепочки взаимодействий между разными приспособившимися друг к другу организмами. Ученые работали с капустой (Brassica oleracea), на которой кормятся гусеницы капустницы (Pieris brassicae). Паразитоид этой бабочки — оса Cotesia glomerata. Ученых интересовало то, как зараженных гусениц находит основной враг осы — гиперпаразитоид, оса Lysibia nana, которая откладывает яйца в личинки первой осы, когда те покидают гусеницу и начинают окукливаться. При этом сами по себе гусеницы капустниц гиперпаразитоидов не интересуют — они ищут именно тех из них, которые заражены личинками ос. Ранее было показано, что, как и паразитоиды, гиперпаразитоиды ориентируются скорее на запах растений, чем на запахи их жертв (E. H. Poelman et al., 2012. Hyperparasitoids use herbivore-induced plant volatiles to locate their parasitoid host). Дело в том, что растения выделяют большое количество летучих веществ, намного большее, чем гусеница, стремящаяся себя ничем не выдать.
Исследователи сажали на каждое растение по две гусеницы и давали им кормиться в течение 24 часов, после этого убирали гусениц и всё, что те могли оставить на растении. Далее растения помещали в две стеклянные емкости, каждая из которых соединялась с одним из двух рукавов Y-образной трубки так, что между емкостью и трубкой происходил воздухообмен, но насекомые не могли добраться до растений. У входа в эту трубку выпускали готовую к откладке яиц осу-гиперпаразитоида и смотрели, какой из рукавов она выберет. Если к одному из рукавов была присоединена емкость с растением, на котором кормилась здоровая гусеница, а к другому — емкость с растением, на котором кормилась зараженная гусеница, то гиперпаразитоиды чаще выбирали последний (рис. 4). Это означает, что осы научились различать запахи растений, нормально реагирующих на присутствие гусениц, и растений с подавленной (но не отсутствующей) из-за паразитоида реакцией.
Рис. 4. Результаты тестов с выбором осой-гиперпаразитоидом запаха растения, на котором кормилась гусеница. А — выбор между контролем, когда здоровой гусенице вводили буферный раствор (PBS, синий), и зараженной гусеницей (оранжевый) или здоровой гусеницей, которой делали укол с вирусом, ядом и яйцами осы в разных комбинациях (белый). B — эксперимент с удалением слюнных желез. Синий и оранжевый — на растении кормились гусеницы с удаленными железами, здоровые и зараженные, соответственно; заштрихованные синий и оранжевый — без удаления слюнных желез; зеленый — до эксперимента на растении не было гусениц. Звездочки обозначают P-значения: одна — P
Типы взаимодействий организмов
1. Назовите типы биотических отношений, которые могут проявляться при взаимодействии пары организмов:
б) большой пестрый дятел – ель;
в) кишечная палочка – человек;
г) рыба прилипала – акула;
д) тля – рыжий муравей;
е) наездник-трихограмма – яйца капустной белянки;
ж) муха ктырь – комнатная муха;
з) человек – кровососущий комар;
и) грызун песчанка – саксаульная сойка;
л) ель – гусеница сибирского шелкопряда;
(Ответ: хищничество – а, б, ж, л; мутуализм – а, б, в, д; комменсализм – г, и, м; паразитизм – в, е, з, л; нейтрализм – и, к, м. Особенностью этого задания является неоднозначность большинства ответов к предлагаемым заданиям.)
2. Из предложенного списка составьте пары организмов, которые в природе могут находиться в мутуалистических (взаимовыгодных) отношениях между собой (названия организмов можно использовать только один раз): пчела, гриб подберезовик, актиния, дуб, береза, рак-отшельник, осина, сойка, клевер, гриб подосиновик, липа, клубеньковые азотфиксирующие бактерии.
(Ответ: пчела – липа; гриб подберезовик – береза; актиния – рак-отшельник; дуб – сойка; гриб подосиновик – осина; клевер – клубеньковые азотфиксирующие бактерии.)
3. Из предложенного списка составьте пары организмов, между которыми в природе могут образовываться трофические (пищевые) связи (названия организмов можно использовать только один раз): цапля, ива, тля, амеба, заяц-русак, муравей, водные бактерии, кабан, лягушка, смородина, росянка, муравьиный лев, комар, тигр.
(Ответ: цапля – лягушка; заяц-русак – ива; тля – смородина; амеба – водные бактерии; муравьиный лев – муравей; тигр – кабан; росянка – комар.)
4. Лишайники являются примером биотических отношений:
а) симбиоза (мутуализма);
(Ответ: а.)
5. Примером отношений типа «хищник – жертва» не могут служить пары организмов (выберите правильный ответ):
в) пресноводная амеба и бактерия;
г) муравьиный лев и муравей;
(Ответ: д.)
6. Соотнесите предлагаемые понятия и определения:
1) мутуализм (симбиоз);
5) комменсализм (квартирантство);
6) комменсализм (нахлебничество);
8) хищничество (трофизм).
А. Взаимодействие двух или нескольких особей, последствия которого для одних отрицательны, а для других безразличны.
Б. Взаимодействие двух или нескольких особей, при котором одни используют остатки пищи других, не причиняя им вреда.
В. Взаимовыгодное взаимодействие двух или нескольких особей.
Г. Взаимодействие двух или нескольких особей, при котором одни предоставляют убежища другим, и это не приносит хозяину ни вреда, ни пользы.
Д. Совместное обитание двух особей, непосредственно не взаимодействующих между собой.
Е. Взаимодействие двух или нескольких особей, имеющих сходные потребности в одних и тех же ограниченных ресурсах, что приводит к снижению жизненных показателей взаимодействующих особей.
Ж. Взаимодействие двух или нескольких организмов, при котором одни питаются живыми тканями или клетками других и получают от них место постоянного или временного обитания.
З. Взаимодействие двух или нескольких особей, при котором одни поедают других.
(Ответ: 1 – В; 2 – Д; 3 – Е; 4 – А; 5 – Г; 6 – Б; 7 – Ж; 8 – З.)
7. Как вы думаете, для чего прогрессивные технологии посадки деревьев в бедную почву предполагают заражение грунта определенными видами грибов?
(Ответ: между этими грибами и деревом формируются симбиотические отношения.
Грибы быстро образуют очень разветвленную грибницу и оплетают своими гифами корни деревьев. Благодаря этому растение получает воду и минеральные соли с огромной площади поверхности почвы. Чтобы достичь такого эффекта без грибницы, дереву пришлось бы потратить много времени, вещества и энергии на формирование столь разветвленной корневой системы. При посадке на новое место симбиоз с грибом значительно повышает шансы дерева благополучно прижиться.)
8. Назовите организмы, являющиеся симбионтами человека. Какую роль они выполняют?
(Ответ: представители бактерий и простейших, обитающих в кишечнике человека. В 1 г содержимого толстой кишки насчитывается 250 млрд микроорганизмов. Многие вещества, поступающие в организм человека с пищей, перевариваются при их активном участии. Без кишечных симбионтов нормальное развитие невозможно. Болезнь, при которой уменьшается количество симбиотических организмов кишечника, называется дисбактериозом. Микроорганизмы живут также в тканях, полостях и на поверхности кожи человека.)
9. Взаимоотношения взрослой ели и соседствующего проростка дуба являются примером:
(Ответ: а.)
10. Лишайники – пример симбиотических (мутуалистических) взаимоотношений между грибами и водорослями (или грибами и цианобактериями – синезелеными водорослями). Предположите, из какого первоначального типа биотических отношений мог сформироваться этот вариант симбиоза.