Badanie pokazuje, że fizyczna i genomiczna adaptacja do środowiska może nastąpić w ciągu kilku tygodni

Czy uważasz, że ewolucja to powolny i stopniowy proces? Powiedz to muszkom owocowym. W nowym raporcie w wiedziećNaukowcy z University of Pennsylvania przeprowadzili kontrolowany eksperyment terenowy, aby wykazać, że muchy szybko przystosowują się do zmieniających się warunków środowiskowych ze zmianami w całym genomie oraz w zakresie różnych cech fizycznych.

W trakcie eksperymentu, który trwał zaledwie cztery miesiące, naukowcy udokumentowali zmiany w 60% genomu much. Poprzez tę bezpośrednią obserwację szybkiej i ciągłej adaptacji w odpowiedzi na środowisko – zjawisko znane jako śledzenie adaptacyjne – biolodzy stworzyli nowy paradygmat myślenia o osi czasu ewolucji.

„To był ciekawy pomysł, ale myślałem, że to mało prawdopodobne, dopóki go nie pokazaliśmy” – mówi Paul Schmidt, profesor biologii w College of Arts and Sciences University of Pennsylvania i starszy autor artykułu.

mówi Seth Rodman, współautor publikacji, który prowadził prace jako adiunkt na University of Pennsylvania, a obecnie jest adiunktem na Washington State University.

Tylko jak szybko

Od dawna wiadomo, że u krótko żyjących i szybko rozmnażających się muszek owocowych ewolucja może przebiegać szybko. Ale dokładnie, jak szybko zostało zakwestionowane, a konkretnie, czy wiele cech może ewoluować razem, w sposób ciągły, w odpowiedzi na krótkoterminowe zmiany środowiskowe.

We wcześniejszych badaniach w sadach w rejonie Filadelfii Schmidt i współpracownicy zauważyli, że muszki owocowe na początku sezonu wegetacyjnego bardzo różniły się od muszek owocowych późną jesienią pod względem tolerancji na stres, zdolności reprodukcyjnej, a nawet pigmentacji. Ale te badania nie mogą wykluczyć możliwości dostania się nowych much do populacji, powodując dramatyczne zmiany.

Aby ściślej kontrolować warunki badań, zespół opracował eksperymentalny sad, położony na działce w Pennovation Works, w niewielkiej odległości od głównego kampusu Penn. Tam wiele obudów pozwala członkom laboratorium Schmidta na badanie much w realistycznych warunkach środowiskowych — zimnie, upale, deszczu i wszystkim innym — jednocześnie zapobiegając przedostawaniu się lub ucieczce much. Zatem wiadomo, że owady w zagrodach pod koniec eksperymentu są bezpośrednimi potomkami owadów wypuszczonych do zagrody na początku badania.

Kontrola ewolucji

Naukowcy rozpoczęli obecne śledztwo, wypuszczając 1000 Drosophila czarny brzuch Muszki owocówki w każdym z 10 pojemników w lipcu 2014 roku. Muchy były następnie karmione tą samą dietą, ale poza tym zostały pozostawione samym sobie. W szczytowym momencie eksperymentu liczba każdej grupy wzrosła do prawie 100 000.

Raz w miesiącu zespół usuwał pojedyncze muchy i 2500 jaj z każdego wybiegu, hodował je oddzielnie, a następnie analizował je pod kątem sześciu różnych cech fizycznych, o których wiadomo, że rządzą wieloma genami, takimi jak sukces reprodukcyjny i tolerancja na zimno.

Ponadto podczas każdego z tych comiesięcznych odpraw naukowcy losowo wybrali 100 much z każdej populacji i zsekwencjonowali ich genomy jako grupę zbiorczą. W ten sposób mogą uzyskać migawkę zmieniających się częstotliwości alleli — różnic w różnych punktach genomu — w czasie.

Dowody z danych fizycznych i genomowych były jasne: muchy ewoluowały i przystosowywały się do swojego środowiska, i robiły to szybciej niż ktokolwiek wcześniej.

„Widzimy, że populacje są w stanie śledzić różnice w środowisku” – mówi Schmidt. „To nie była odpowiedź na pojedyncze selektywne wydarzenie, takie jak susza. Populacje stale ewoluowały i zmieniały się przez cały eksperyment”.

zmienność adaptacyjna

Ponieważ muchy są krótkotrwałe, odstęp czasu wynoszący kilka tygodni między każdą analizą przekłada się na od jednego do czterech pokoleń much lub około dziesięciu pokoleń w trakcie całego eksperymentu.

Jednak skala adaptacji była nieoczekiwana, ponieważ ponad 60% genomu much wyewoluowało bezpośrednio lub pośrednio podczas eksperymentu. Schmidt i Rodman zauważają, że nie oznacza to, że selekcja ewolucyjna działa na ponad połowie genomu – część DNA jest wyciągana, gdy inne części zmieniają się w procesie znanym jako „przeciąg genetyczny”.

Ale to, co sprawiło, że wyniki były szczególnie przekonujące, to fakt, że kierunek adaptacji zmieniał się kilkakrotnie, kołysząc się jak wahadło, gdy zmieniały się warunki środowiskowe.

„Myślenie, że cecha może rozwinąć się przez określoną liczbę tygodni, a następnie odwrócić trend w następnym miesiącu, było bardzo zaskakujące” – mówi Rodman. „To maluje obraz adaptacji i selekcji, które są naprawdę dynamiczne. Kierunek doboru naturalnego się zmienia, cele się zmieniają i zmieniają się bardzo szybko.”

Naukowcy wyjaśnili, że wcześniejsze badania mogły nie docenić tempa adaptacji, ponieważ dotyczyły tylko zmian genomowych między dwoma nieco odległymi punktami w czasie, na przykład A i B. Poprzez częste i częste obserwacje w tej samej populacji, ten eksperyment został zaprojektowany, aby ujawnić, co wydarzyło się między – krętą ścieżką adaptacji od A do B do C iz powrotem do B – fluktuacjami, które w innym przypadku byłyby niewidoczne.

Chociaż muszki owocowe rozmnażają się w znacznie bardziej skróconej skali czasowej niż ludzie, naukowcy twierdzą, że ich odkrycia dotyczą dłużej żyjących i wolniej regenerujących się gatunków, takich jak ludzie.

„Twierdziłbym, że te procesy zachodzą w wielu różnych organizmach, ale trudno je zmierzyć w odpowiednich skalach czasowych” – mówi Schmidt. „Tak więc w przypadku muszek owocówki stres związany z adaptacją może nadejść wraz z porami roku, ale dla ludzi może to być zmiana klimatu, rolnictwo, wykorzystanie mleka jako źródła pożywienia. Może to być zjawisko ogólne. Teraz spoczywa na nas obowiązek określić ramy czasowe, w jakich to nastąpi” .

Rodman i Schmidt są współautorami artykułu z Benem Subhashem Rajpurohitem, Nicholasem J. Betancourt, Jingo Hanną, Sharon I. Green Bloom, Susan Tilke, Toya Yokoyama, Dimitri A. Pietrow. Rodman, Greenblum i Rajpurohit byli współautorami pierwszego.