Forskellige forsvarsstrategier fører til forskellige evolutionære reaktioner • Elena Naimark • Videnskabsnyheder om "Elementer" • Parasitologi, Evolution

En anden forsvarsstrategi fører til et andet evolutionært svar.

Fig. 1. Bacillus thuringiensis bakterier "border = 0>

Fig. 1. bakterier Bacillus thuringiensis. Deres spor omfatter krystaller, der er giftige for nematoder og insekter. Derfor anvendes disse bakterier i vid udstrækning som et middel til biokontrol i planteproduktion. Foto fra microbewiki.kenyon.edu

Tyske forskere har oprettet et evolutionært eksperiment, der simulerer et våbenkamp mellem værten og parasitten. Ejerens rolle gik til nematoden Caenorhabditis elegansog parasitten er bakterier Bacillus thuringiensis. Begge medvirkende er velkendte for biologer: den første – en klassisk model objekt, og den anden anvendes som et effektivt middel til biokontrol antal jordnematoder og insekter. Sidstnævnte bestemmer den praktiske relevans af arbejdet. Forsøget viste, at under betingelserne for tilpasning af nematoder til insekticider er det vigtigt, at våbenløbet ikke stopper. Derefter vil bakterierne slippe af med ineffektive linjer, hvilket kun efterlader de mest smitsomme, der bærer det største antal kopier af toksingenene på forreste linje. Hvis værten ophører med at forsvare, begynder bakterierne at producere flere ikke-smitsomme stammer. Alt dette er vigtigt at overveje, når man planlægger en insektbekæmpelsesstrategi.

I 70'erne af det sidste århundrede beskrev Leigh van Valen det evolutionære våbenkapel.Han kaldte den hypotesen om den sorte dronning. Essensen af ​​hypotesen er, at sindet hele tiden skal forbedre sine adaptive tegn, køre dem til det skiftende miljø. Hvis en rovdyr har lært at indhente hurtigere, så skal en hypotetisk bytte lære at løbe hurtigere. Som følge heraf skal rovdyret for at forblive sulten stadig presse og opfinde mere effektive måder at jage på, som byttet, der ønsker at overleve, skal finde endnu mere sofistikeret måder at beskytte. Og så videre til uendelig. Den, der ikke er den første til at udholde i denne evolutionære konkurrence, er ved at dø ud.

Det tog omkring et dusin år, indtil denne hypotese blev accepteret af det videnskabelige samfund. Derefter et dusin mere, indtil der var nok felt og eksperimentelle data, der bekræfter det allestedsnærværende og ikke-stopmæssige evolutionære våbenkapløb (se fx nyhederne. Moderne parasitter er farligere end fortid og fremtid, Elements, 12/12/2007, og den mangfoldighed af tropiske insekter understøttes af "Elements", 03/18/2014). Denne hypotese blev almindeligt accepteret og indført, hvis ikke i skoleprogrammer, så i instituttet helt sikkert.Eksperimentelt arbejde på dette emne er særligt relevant i lyset af undersøgelsen af ​​forskellige parasitiske forhold og måder at bekæmpe dem på. En anden ting: Forskergruppen er værd at tilbyde en effektiv måde at slippe af med skadedyret, da våbenkampen straks begynder. Og efter en kort tid har parasitten allerede tilpasset sig selv og bliver immun over for det nye lægemiddel. For at komme op med, hvilke stoffer der vil være effektive, skal du forstå de særlige genetiske mekanismer i våbenkampen. Der er stadig få sådanne værker, og det er dem, der bestemmer det næste højere forståelsesniveau for denne vigtigste evolutionære proces. Og som en konsekvens heraf fremstillingen af ​​nye kommunikationsmidler med alle former for ondsindede samboere. Vi har vores eget våbenkamp med dem.

Et af disse værker er repræsenteret af et team af specialister fra tre tyske universiteter: Christian Albrecht Universitet (Kiel), Universitetet i Tübingen og Georg-August-Universitetet i Göttingen. Forskere har arbejdet med nematoden Caenorhabditis elegans – et favoritmodelobjekt til forskellige evolutionære studier. Nematode blev inficeret med en særlig bakterie. Bacillus thuringiensissom i vid udstrækning anvendes som insekticid (figur 1). Denne bakterie, der rammer tarmen af ​​en nematode eller et insekt, ødelægger cellerne i fordøjelseskanalen, og skadedyret dør (figur 2).

Fig. 2. En – nematode, der spiste neutraliserede bakterier Bacillus thuringiensis, forbliver sund (øverst – generel visning nedenunder – nematode kropsareal). den – Normalt ødelægger denne bakterie nematoden indefra, opløsende celler (øverst – døde nematoder nedenunder – En del af kroppen med opløste indre organer, bakterier er tydeligt synlige). Billede fra microbewiki.kenyon.edu

Opgaven var at simulere parasitten og værtstilpasningen i et våbenløbe, og sammenligne det med resultaterne af en ensidig tilpasning, da kun en bakterie eller kun en nematode udviklede sig. (Det skal forstås, at bakterien i denne model blev betragtet som en parasit, og nematoden blev betragtet som værten, selvom det i virkeligheden fra agronomens synspunkt er parasitten en nematode, og bakterien er en sparer bioagent.) Bakterier og nematoder fra mellemliggende stadier af enheden blev frosset, så hvad det var muligt at se, hvordan tilpasningsprocessen gik videre. Og vigtigst af alt var det muligt at spore, hvilke gener der blev ændret under det evolutionære eksperiment.

Den evolutionære "arena" i sig selv var en hul gennemsigtig bold med tætte halvdele (sådanne bolde hedder ormboller). I den ene halvdel blev næringsmediet anbragt på agar, og nematoder og bakterier blev plantet der (en blanding af flere bakteriestammer og flere nematode linjer). Kuglens skrånende vægge tillod ikke nematoder at krybe væk og dermed undgå smitsomme pletter.

I "arms race" -forsøget blev et bestemt antal (vægt) nematoder og bakterier overført til et nyt miljø hver anden til tre dage. Selvfølgelig blev de transplanteret af en grund og på en særlig måde: bakterier blev fjernet fra døde nematoder for at sikre genbosættelsen af ​​virulente mikrober (figur 3). Nematoder blev dyrket af dekontaminerede æg, for ikke at bære bakterier fra tidligere generationer. I envejsudviklingsmodellen blev der anvendt en frosset bestand af originale nematoder og bakterier. I eksperimentet blev hver gang en ny kohort af nematoder fodret, da kun nematoder blev tilpasset, de originale bakterier taget fra den frosne stamme. Omvendt blev der med den unilaterale udvikling af parasitten smittet nematoder fra den frosne oprindelige bestand hver gang med nye mikrober taget fra døde nematoder.I hver variant blev fitness af parasitter og værter målt: Det blev estimeret af antallet af nematoder, der døde inden for to dage. Det skal bemærkes, at en sådan forsøgsprotokol allerede er blevet brugt før og har vist sig at være ret effektiv (se. Menneskets nytte er bevist eksperimentelt, "Elements", 07/18/2011). Jeg vil gentage, at hovedforskellen fra tidligere værker er analysen af ​​genetiske ændringer under tilpasninger. Nå, veldesignede kontroller.

Fig. 3. Skematisk billede af eksperimentet. Rød farve – Arms race: både bakterier og nematoder tilpasse. Blå farve – ensidig udvikling af værter, hvor kun nematoder tilpasser sig, og bakteriekilden er frosset stamme. Grøn farve – parasitets ensidige udvikling, når kun bakterier tilpasset til det indledende sæt (en blanding af flere linjer) nematoder tilpasser sig. Grå farve – kontrol bestand af nematoder og bakterier Figur fra den diskuterede artikel i PLOS biologi

I løbet af eksperimentet forberedte specialister i tre måneder to gange om ugen et nyt medium, fumlede med frigivelsen og desinfektionen af ​​æg, voksede fra dem larver til genplantning i gennemsigtige boldebakterielle arrays blev isoleret og inkuberet i flydende medier, hver eksperimentelle kohorte af parasitter og værter blev frosset, det relative antal døde nematoder blev talt. 10 gentagelser blev lavet for tre forsøg og to kontroller (en nematode linje uden bakterier og en række bakterier uden nematode). Alt dette tidskrævende arbejde gik uden at stoppe – når eksperimentet var begyndt, var der ingen måde at tage en pause på. Når forsøget sluttede, tog genetik og zoologer op jobbet: de havde brug for at evaluere modstanden af ​​nematoder og bakteriernes infektiøse kraft fra alle kohorter, bestemme mængden af ​​ændringer i genomet i de tre eksperimentelle linjer sammenlignet med kontroller og forsøge at etablere den funktionelle side af disse ændringer.

Det forventes ganske vist, at overlevelsesraten (modstanden) af nematoderne med den fælles udvikling af værten og parasitten i sidste ende var højere end ved en ensidig udvikling eller i kontrollen uden bakterier (figur 4). Dette viser, at våbenkapaciteten accelererer tilpasninger, hvilket gør dem væsentligt mere effektive. Livet sætter ordlydende organismer til adaptiv succes.

Fig. 4. Resultater af eksperimentel udvikling i et våbenkapløb (røde linjer), ensidig udvikling af nematoder (blå linjer) og ensidig udvikling af bakterier (grønne linjer). Venstre diagram – overlevelse af nematoder central – Andelen af ​​ikke-smitsomme bakterier i kohorten (uddøde – bakterier, der ikke var i stand til at inficere og "uddøde" i de eksperimentelle petriskåle) højre – dødelighed (antal dødelige udfald af nematoder) af den tilsvarende bakteriekoorhort. Grå farve – kontrol Skemaerne fra artiklen under drøftelse i PLOS biologi

Og hvad med parasitter? Deltagelse i våbenkampen øger deres "destruktiv effekt" i forhold til bakteriens kontrollinje. Men selv med en ensidig udvikling viser deres dødsløshed sig på omtrent det samme niveau som i våbenkampen.

Og endnu mere interessant – med ensidig udvikling ser linjer ud som generelt taber deres virulens. I stedet erhverver de evnen til at danne kolonier og biofilmer, der hjælper bakterier med at overleve på dårlige næringsmedier. Det ser ud til, at bakterier har mange adaptive udgange: de kan øge smitteevne og generelt afvise det. De nægter den infektiøse vej med høj nematode angreb.Forskere har bevist dette ved at beregne den smitsomme belastning (antallet af bakterieceller) i gennemsnit pr. Nematode. Hvis det var højt, udviklede ikke-infektiøse stammer, der foretrak en kolonial eksistens, i linjen. Og det kan forstås. Tross alt er fremstillingen af ​​toksiner en meget dyr virksomhed. Krystaller af giftige Cry-proteiner danner 20-30% tørvægt i bakteriepartikler. Så deres produktion tager en imponerende del af de cellulære reserver. Tilsyneladende var det i tilfælde af høj forurening mere økonomisk at vende sig til en anden fødevarerute.

Af de fem oprindeligt blandede stammer forbliver kun en i rækker af bakterier involveret i våbenløbet. Alle andre stammer forsvandt efter 2,5 måneders forsøg. Den resterende stamme blev bl.a. præget af to gener kodende for Cry "nematode" toksiner. Ændringer i generne råb og beslægtede steder af genomerne førte til en stigning i antallet af kopier af toksingenerne og følgelig til en stigning i koncentrationen af ​​toksiner selv. Men denne virkning manifesterede sig kun under forholdene i et våbenkapløb, og under betingelserne for en ensidig udvikling af bakterier forekom sådanne ændringer ikke. Hvis ejeren er passiv, kan patogenet forlade sine smitsomme "ambitioner".Han har råd til at opretholde den genetiske mangfoldighed, hvor både stærkt virulente og lavt virulente linjer sameksisterer.

I hvilke tilfælde er den passive stilling berettiget, og i hvilke tilfælde er det nødvendigt at forsøge at overvinde parasitten? For at forstå dette er det nødvendigt at dechiffrere de resterende genetiske ændringer i de transformerede parasitgenomer (ca. hundrede ændrede steder er blevet identificeret, de fleste af dem med ukendte funktioner), hvilket betyder yderligere genetiske undersøgelser af nematode linjer, der er gået igennem evolutionære forsøg, er nødvendige. Dette er et langt og dyrt job. Men det er nødvendigt at forstå. Ellers er der ingen mulighed for at udvikle en effektiv beskyttelsesstrategi (eller bedre interaktion) med andre indbyggere på planeten.

Kilde: Leila Masri et al. Host-Patogen Coevolution: Den Selektive Fordel ved Bacillus thuringiensis Virulence og dets Cry Toxin Genes // PLOS biologi. 2015. DOI: 10.1371 / journal.pbio.1002169.

Elena Naimark


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: