ИСТИНА

Проект направлен на экспериментальное исследование эволюции, являющееся одной из ключевых фундаментальных задач современной эволюционной биологии. Это быстро развивающееся направление, помогающее понять факторы и закономерности эволюционного процесса (см. обзор Kawecki et al., 2012). Эволюционный эксперимент (ЭЭ) позволяет наблюдать за динамикой адаптации к изучаемому фактору среды в реальном времени, а также контролировать воздействие на организм всех остальных факторов, что недостижимо в природных условиях. Мы считаем, что одним из самых перспективных подходов для комплексного анализа адаптационных процессов является подход ЭЭ, в ходе которого лабораторные линии модельных организмов, таких как Drosophila melanogaster, адаптируются к различающимся, в том числе неблагоприятным условиям среды. Наш коллектив имеет серьезный научный задел в области изучения адаптациогенеза с помощью ЭЭ: нами разработаны оригинальные методики и выведено несколько лабораторных линий D. melanogaster, адаптировавшихся к неблагоприятным кормовым субстратам (Марков, Куликов, 2006; Марков и др., 2015; Дмитриева и др., 2016; Яковлева и др., 2016, Панченко и др., 2017). В рамках заявленного проекта мы планируем провести комплексное изучение адаптационных процессов в лабораторных линиях D. melanogaster в условиях ЭЭ. В результате выполнения проекта будет показано влияние фенотипической пластичности на скорость и направленность адаптивной эволюции; будет оценено влияние гетерогенности среды на эффективность адаптации к неблагоприятным условиям, а также на направление адаптациогенеза (формирование экологической специализации / выработка адаптаций широкого профиля); будет выявлен вклад симбиотической микробиоты в ход адаптации организма–хозяина к меняющимся условиям среды. Основным результатом выполнения проекта станет выявление основных закономерностей хода адаптационных процессов в лабораторных линиях D. melanogaster в ходе долгосрочного эволюционного эксперимента. Кроме того, полученные нами результаты приблизят нас к пониманию закономерностей эволюции жизненного цикла, эволюции репродуктивной стратегии и процесса старения. Выполнение нашего проекта внесёт значительный вклад в развитие новой быстро развивающейся области науки - прикладной эволюционной биологии.

In the frames of the proposed project, we intend to study evolution with experimental tools, and this is one of the most promising approaches of modern evolutionary biology. Experimental evolution is relatively new and rapidly developing area, which allows to understand the dynamics of evolutionary processes (for review see Kawecki et al., 2012). Evolutionary experiment provides the possibility to monitor adaptation to environmental factors in real time and under controlled conditions that is impossible in natural environment. To explore evolutionary dynamics of adaptation in the most effective way, we will use evolution experiments on the laboratory strains of Drosophila melanogaster adapting to different environments, including unfavorable ones. We already have substantial scientific background in this area: we designed several evolutionary experiments and obtained a set of laboratory strains adapted to unfavorable nutritive substrates (Markov, Kulikov, 2006; Markov et al., 2015; Dmitrieva et al., 2016; Yakovleva et al., 2016; Panchenko et al., 2017). The proposed project aims to study the dynamics of adaptation of the laboratory strains of Drosophila in the course of long-term evolution experiments in details. We intend to demonstrate the role of phenotypic plasticity in establishing the rate and direction of adaptive evolution; to characterize the effect of environment heterogeneity on the type of adaptation (specialization vs. generalization); to clarify the impact of symbiotic microorganisms on the adaptation of the host macroorganism to environmental changes. The project realization will allow us to gain insight into the patterns and rules of adaptation occurring in the course of evolution experiment in our model system. Moreover, our results will clarify the basic patterns and rules of life cycle evolution, evolution of reproductive strategy and senescence. Our results will provide substantial positive impact on the rapidly developing area of applied evolutionary biology.

В результате проведенных экспериментов ожидается получить ответы на следующие вопросы: 1. Какими путями идет адаптация к неблагоприятным условиям среды? Ожидается, что в гомогенной среде должна происходить специализация: развитие односторонних адаптаций, повышающих приспособленность к данным условиям независимо от того, как это сказывается на приспособленности к любым другим условиям (с которыми организмы не сталкиваются). Однако наши предварительные результаты показывают, что иногда побочным эффектом адаптации к неблагоприятному корму может стать не снижение, а рост приспособленности к альтернативному корму, в том числе к благоприятному (Дмитриева и др., 2016). Известно, что популяции D. melanogaster быстро приспосабливаются к разнообразным условиям и кормовым ресурсам, благодаря чему этот вид сумел выйти из своей экваториальной прародины и заселить весь мир. Возможно, в результате выполнения данного проекта нам удастся показать, как ему это удалось. 2. По какому пути пошла эволюция наших экспериментальных линий в условиях пространственно гетерогенной среды: в сторону дивергенции, в сторону генерализации (выработки адаптаций широкого профиля) или в сторону формирования «компромиссных» малоэффективных адаптаций? Теоретически, адаптация к различным диетам может вести к смене экологических предпочтений, разделению ниш и даже симпатрическому видообразованию. Однако о конкретных факторах, влияющих на вероятность и скорость этих процессов, известно немного. Результаты наших исследований, позволяющих сравнить прямые и косвенные последствия адаптациогенеза лабораторных линий D. melanogaster, протекающего в условиях гомо- и гетерогенной среды, помогут восполнить этот пробел. 3. Какова роль фенотипической пластичности в формировании адаптаций? Фенотипическая пластичность играет в эволюции важную, но до сих пор слабо изученную и часто недооцениваемую роль. Как адаптивная, так и неадаптивная фенотипическая пластичность влияет на силу и направленность отбора, действующего на популяцию, и может, в зависимости от ситуации, ускорять или замедлять адаптивную эволюцию, дивергенцию и видообразование. В ходе предварительных исследований нами уже были получены данные о том, что адаптивная фенотипическая пластичность действительно может ускорять адаптивную эволюцию за счет таких механизмов, как генетическая ассимиляция и эффект Болдуина (Waddington, 1953, 1959; Crispo, 2007; Марков и др., 2015; Марков и др., 2016). В ходе выполнения данного проекта мы планируем выявить взаимосвязь между параметрами среды, в которой протекает адаптациогенез (типом кормового субстрата, наличием или отсутствием пространственной гетерогенности среды), особенностями адаптирующихся к этой среде организмов (параметры их жизненного цикла, плодовитость, подвижность, расселительные способности, сопутствующая микробиота и др.) и ролью фенотипической пластичности. Фенотипическая пластичность будет оцениваться на основе анализа изменений изучаемых признаков (таких как, например, продолжительность жизни и плодовитость) при пересадке контрольных мух на тот или иной неблагоприятный кормовой субстрат; выявленные изменения в пределах нормы реакции (пластические изменения) будут сравниваться с наследственными изменениями, произошедшими в линиях, адаптированных к данному субстрату. Таким образом, мы сможем сопоставить силу и направленность быстрых пластических и медленных эволюционных изменений. 4. Какой вклад вносит симбиотическая микробиота в адаптацию модельных организмов к меняющимся условиям среды? В ходе выполнения проекты мы планируем охарактеризовать количественный и качественный состав микробиоты D. melanogaster из разных линий, адаптировавшимся к разным условиям среды. Кроме того, будут получены результаты, которые смогут экспериментально подтвердить, что изменения симбиотической микробиоты в ходе адаптациогенеза организма–хозяина могут, в свою очередь, влиять на ход адаптациогенеза. До сих пор отсутствуют прямые экспериментальные подтверждения того, что регистрируемый в эволюционных экспериментах рост приспособленности модельных организмов может в той или иной мере объясняться изменениями симбиотической микробиоты, а не самого организма. Вклад симбиотической микробиоты в адаптацию макроорганизмов к меняющимся условиям среды может иметь целый ряд важных эволюционных последствий. В частности, если адаптация D. melanogaster к неблагоприятным условиям часто происходит в большей степени за счет изменений микробиоты, чем генофонда самих насекомых, то этим может во многом объясняться не только способность этого вида очень быстро адаптироваться к неблагоприятным кормовым субстратам, но и то, что такая адаптация нередко может происходить без негативных побочных эффектов и приводить не к экологической специализации, а к расширению трофической ниши (предварительные результаты, указывающие на такую возможность, получены нами ранее (Дмитриева и др., 2016)). Кроме того, в результате анализа микробиоты планируется получить ответы на следующие вопросы: 1) Какие именно компоненты микробиоты влиют на адаптацию – дрожжи или бактерии, их количество или качество (если качество, то какие виды важнее всего), поверхностные или кишечные (детализация вывода о вкладе микробиты в адаптацию). 2) Возможна ли межвидовая передача адаптаций, обусловленных микробиотой (поможет ли посев гомогената адаптированных к соли линий D. melanogaster выживать на соленом корме другим видам мух-дрозофилид?) Выполнение нашего проекта внесёт значительный вклад в развитие новой быстро развивающейся области науки - прикладной эволюционной биологии. Эта область изучает механизмы формирования адаптаций у паразитов, вредителей, различных патогенов в ходе так называемой антропогенной эволюции (эволюции, вызванной деятельностью человека). Недостаточное понимание значимости и механизмов эволюционных процессов уже неоднократно приводило к тому, что состоянию экономики и здоровью людей. наносился серьёзный ущерб. В качестве хорошего примера можно привести появление нового заболевания, пирикуляриоза пшеницы, из-за которого в 2016 году пришлось выжечь около 15000 га полей в Бангладеш (16% посевов пшеницы), а в Южной Америке многие фермеры вообще стали отказываться от возделывания пшеницы. Сорта пшеницы с повышенной урожайностью, выведенные в Мексике, имели пониженную устойчивость к патогенным грибам. В результате один из патогенов риса, Magnaporthe oryzae, "перебравшийся" на неустойчивые сорта пшеницы, быстро адаптировался к этому растению и приобрел способность к заражению уже и обычных его сортов. Этот патоген распространился сначала по Южной Америке, а потом и по Азии (Yoshida et al., 2016; Tofazzal Islam et al., 2016). Адекватная оценка эволюционных последствий внедрения новых сортов сельскохозяйственных растений могла бы предотвратить такое развитие событий. Для такой оценки необходимо знать общие закономерности адаптации организмов к новым пищевым субстратам и иным условиям среды. На выявление этих закономерностей и направлен наш проект.4.8.Общий план работ на весь срок реализации Проекта (форма представления информации должна дать возможность эксперту оценить реализуемость заявленного плана работы и риски его невыполнения; общий план реализации Проекта даётся с разбивкой по годам)В течение всего срока выполнения проекта будет осуществляться регулярный мониторинг ключевых показателей приспособленности изучаемых лабораторных линий D. melanogaster: эффективность размножения, оцениваемая по суммарному числу потомков, произведенных парой родителей на данном субстрате за фиксированное время; скорость развития; плодовитость имаго; продолжительность жизни имаго. Это позволит охарактеризовать динамику адаптации изучаемых линий к разным кормовым субстратам.

Нами создан значительный задел, позволяющий успешно выполнить запланированное в проекте комплексное экспериментальное изучение разнообразных прямых и косвенных эволюционных эффектов, сопровождающих адаптацию к неблагоприятным условиям среды. Планируемые эволюционные эксперименты продолжают начатые нами ранее исследования и могут пролить свет на фундаментальные эволюционные механизмы, обеспечивающие адаптацию к различающимся трофическим нишам, изучить динамику и механизмы формирования косвенных эволюционных последствий этих адаптаций, а также оценить влияние гетерогенности среды и «эволюционной истории» линии на эффективность адаптации к новым средовым факторам.