Грег Рэгланд, доцент энтомологии, является соавтором исследования с участием биологов из Университета Райса, Университета Нотр-Дам и нескольких других университетов. В исследовании рассматривались процессы, вызывающие появление новых видов, которые могут угрожать существующим, экономически важным культурам. Ученые считают, что сильные изменения окружающей среды, такие как резкое изменение сезонной погоды, могут быстро «подтолкнуть» различные участки генома организма – его генетический план – к изменению.
Для исследования исследователи сосредоточились на U.S. вид плодовых мух Rhagoletis pomonella, или яблочная муха личинки. Традиционно муха откладывает яйца в плоды боярышника, который произрастает в Северной Америке, но не считается экономически важным из-за перезрелого вкуса плода. В 1850-х годах небольшая группа этих мух начала откладывать яйца в яблоках.
«В какой-то момент мухи перепрыгнули на яблоки, и взрослые мухи развили способность откладывать яйца в плоды, а личинки – способность есть плоды», – сказал Рагланд. "Для этого участки генома должны были меняться от одного поколения к другому. Результат того, что эти мухи заразили яблоки, в настоящее время представляет собой огромную проблему для индустрии производства яблок, потому что она привнесла нового сельскохозяйственного вредителя в результате эволюционного события."
Яблоки созревают раньше, чем плоды боярышника. Из-за этого другого периода созревания группа мух должна была начать свой жизненный цикл раньше, чтобы соответствовать циклу роста яблок, их нового плода-хозяина.
По словам Рагланда, эти сезонные различия по существу приравниваются к двум различным группам или таксонам мух – одна синхронизируется с плодами боярышника, подобными его предкам, а другая – с яблоками.
Поскольку поведенческие и физические различия двух мух продолжают формировать каждое поколение, ученые думают, что они, возможно, наблюдают формирование нового вида.
Работы, начатые еще в конце 1800-х годов, начали обнаруживать эти наблюдаемые различия.
Это новое исследование основывается на этой работе, показывая, что различия в окружающей среде могут изменить многие регионы генома во временных масштабах даже короче 150 лет.
Исследователи обнаружили этот процесс быстрой адаптации с помощью экспериментов, в которых изучались эволюционные различия в геномах обеих мух. Они собрали мух, откладывающих яйца в плодах боярышника, и вырастили одну группу в сезонных условиях, типичных либо для местных плодов боярышника, либо для популяций, зараженных яблоками.
Исследователи обнаружили, что они могут воспроизвести переход от плодов боярышника к яблокам, впервые замеченный в 1850-х годах, хотя все мухи в эксперименте изначально откладывали яйца в плоде боярышника.
«Быстрый темп эволюции, необходимый для создания группы, зараженной яблоками, изначально был неожиданным результатом», – сказал Скотт Эган, доцент Университета Райса и соавтор. «Однако наши результаты еще более удивительны, они показывают, что всего несколько поколений естественного отбора, возможно, создали популяции яблоневой мухи, которые физически и генетически напоминают те, которые мы видим сегодня."
Первоначально команда секвенировала геномы как боярышника, так и яблочной мухи. После эксперимента они секвенировали мух, выращенных в краткосрочных условиях, похожих на боярышник и яблоко.
Они обнаружили явные различия между условиями краткосрочного выращивания по всему геному. Когда они сравнили эти результаты, они обнаружили, что генетические изменения в результате краткосрочного эксперимента почти полностью совпадают с генетическими изменениями между группами боярышника и яблони.
«Это говорит о том, что многие участки генома могут эволюционировать всего за несколько поколений», – сказал Джефф Федер, профессор Университета Нотр-Дам и соавтор. "Наблюдаемые нами изменения в масштабе всего генома, скорее всего, являются результатом различий в окружающей среде, которые приводят к образованию новых видов."
Помимо наблюдения за эволюционным «скачком» между плодами-хозяевами двух мух, исследование проливает новый свет на то, как сезонность влияет на эволюцию.
Лучшее понимание этих эволюционных сдвигов может помочь ученым лучше предсказать, когда эти сдвиги могут произойти и какие новые сельскохозяйственные вредители могут появиться.
«Один из важных выводов заключается в том, что виды не статичны; они изменчивы по отношению к окружающей среде, в которой они живут», – сказал Рагланд. "С эволюционной точки зрения изменение окружающей среды может привести к очень выраженным геномным различиям в очень короткие сроки. Они потенциально могут изменить все черты характера."
Исследование «Экспериментальные доказательства влияния экологического отбора на весь геном на ранних стадиях видообразования с потоком генов» будет опубликовано в следующем номере научного журнала Ecology Letters.