Роль дрожжевой микробиоты в адаптации Drosophila melanogaster к неблагоприятным условиям среды тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Дмитриева Анастасия Сергеевна

• Дмитриева Анастасия Сергеевна
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Дмитриева Анастасия Сергеевна

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность избранной темы

Степень разработанности темы

Цель и задачи работы

Объект и предмет исследования

Научная новизна работы

Теоретическая и практическая значимость работы

Методология диссертационного исследования

Положения, выносимые на защиту

Личный вклад автора

Апробация полученных результатов

Публикации по теме диссертации

Структура и объем работы

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Краткий обзор данных по Drosophila melanogaster

1.2. Необходимость изучения симбиотической микробиоты

1.3 Дрожжевая часть микробиома Drosophila melanogaster

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

2.1. Дизайн эволюционного эксперимента и объект исследования

2.2. Тесты на эффективность размножения дрозофил на различных кормах

2.3. Анализ состава дрожжей в гомогенатах дрозофил

2.4. Использование чистых культур дрожжей для посева на поверхность соленого корма

2.5. Изучение возрастных изменений дрожжевой составляющей микробиома D. melanogaster

2.6. Изучение дрожжевой составляющей микробиома линий D. melanogaster, содержащихся на кормах с различным содержанием NaCl

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ

3.1. Эффективность размножения дрозофил на кормах Н и 4С

3.2. Влияние гомогенатов мух из разных линий на эффективность размножения дрозофил на соленом корме

3.3. Состав дрожжевого микробиома

3.4. Влияние разных штаммов дрожжей на эффективность размножения дрозофил на соленом корме

3.5. Возрастные изменения дрожжевой составляющей микробиома D. melanogaster

3.6. Изменения численности и состава дрожжевого микробиома дрозофил по мере роста концентрации соли в корме, к которому адаптируются насекомые

ГЛАВА 4. ОБСУЖДЕНИЕ

2

4.1. Успешная адаптация дрозофил к соленому кормовому субстрату

4.2. Микробиом вносит вклад в наблюдаемую адаптацию к соли

4.3. Состав дрожжевого микробиома различается у адаптированных к соли и контрольных линий дрозофил

4.4. Штаммы дрожжей из адаптированных к соли дрозофил положительно влияют на размножение мух на соленом корме

4.5. Возрастные изменения дрожжевого микробиома Б. melanogaster

4.6. Изменения дрожжевого микробиома Б. melanogaster по мере роста содержания соли в корме

ГЛАВА 5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВЫВОДЫ

БЛАГОДАРНОСТИ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Роль дрожжевой микробиоты в адаптации Drosophila melanogaster к неблагоприятным условиям среды»

Актуальность избранной темы

Экспериментальное изучение эволюции - перспективное научное направление, позволяющее изучать действие фундаментальных эволюционных механизмов (мутаций, отбора, дрейфа) в реальном времени в контролируемых условиях. В ряде эволюционных экспериментов была показана способность модельных организмов, таких как плодовые мушки Drosophila melanogaster, Meigen, 1830, быстро адаптироваться к различным неблагоприятным условиям (Kawecki et al., 2012). Обычно при интерпретации результатов подобных экспериментов «по умолчанию» принимается, что наблюдаемый рост приспособленности к новой среде объясняется изменениями генофонда подопытной популяции изучаемого вида. Вместе с тем известно, что в жизни дрозофил, как и многих других животных, важную роль играет симбиотический микробиом. Вплоть до недавнего времени прямые экспериментальные подтверждения того, что наблюдаемый в эволюционных экспериментах рост приспособленности модельных животных может в той или иной мере объясняться изменениями микробиома, а не самого макроорганизма, практически отсутствовали. При этом многие факты косвенно указывают на такую возможность.

Способность D. melanogaster быстро адаптироваться к неблагоприятным условиям, в том числе к кормовым субстратам с высоким содержанием NaCl, делает этот вид удобным объектом для изучения механизмов адаптации. Для мух D. melanogaster дикого типа присутствие >2% поваренной соли в кормовом субстрате - неблагоприятный фактор, повышающий смертность личинок, а концентрации, превышающие 4%, могут оказаться фатальными (Te Velde et al., 1988; Stergiopoulos et al., 2009). Однако при постепенном повышении концентрации NaCl лабораторные линии D. melanogaster могут за несколько десятков поколений приспособиться к концентрациям NaCl до 6-8% (Waddington, 1959; Te Velde et al., 1988; Long et al., 2013; Arbuthnott, Rundle, 2014).

Этот результат подтвердился в ходе проводимого нами эволюционного эксперимента (Марков и др., 2015; Дмитриева и др., 2016; Горшкова и др., 2018). Было показано, что адаптация к соленой кормовой среде ведет к росту эффективности размножения мух не только на соленой, но и на нормальной (благоприятной) кормовой среде. Иными словами, происходит не специализация, а расширение трофической ниши

4

(Дмитриева и др., 2016). Этот результат не вполне соответствует концепции «эволюционных компромиссов», предполагающей, что адаптация к стрессовым условиям обычно достигается ценой снижения приспособленности в благоприятных условиях. При этом он, по-видимому, не противоречит предположению о том, что в основе адаптации мух к соли лежат изменения микробиома, которые, возможно, могут выступать в роли адаптации широкого профиля, повышая приспособленность мух одновременно к разным кормовым субстратам.

Степень разработанности темы

О механизмах адаптации D. melanogaster к высоким концентрациям NaCl известно немного (Te Velde et al., 1988; Stergiopoulos et al., 2009). Данные о возможном вкладе в такую адаптацию симбиотического микробиома (бактерий и дрожжей, переносимых мухами на поверхности тела и в кишечнике), насколько нам известно, до сих пор отсутствовали. С другой стороны, имеющиеся данные о микробиоме D. melanogaster (ставшем в последние годы популярным объектом исследований) косвенно указывают на правдоподобность такого предположения. Так, показано, что микробиом влияет на эффективность использования кормовых субстратов, работу иммунной системы, продолжительность жизни имаго и скорость роста личинок (Brummel et al., 2004; Shin et al., 2011; Storelli et al., 2011; Blum et al., 2013; Erkosar et al., 2013). Видовой состав микробиома разных видов дрозофил коррелирует с их диетой (Chandler et al., 2012), а разные виды дрожжей, присутствующие в кормовом субстрате, по-разному влияют на выживаемость и продолжительность личиночного развития (Starmer, 1981; Starmer et al., 1986; Anagnostou et al., 2010). Мухи переносят бактерии и дрожжи в кишечнике и на поверхности тела, а поедание личинками субстрата, на котором до этого жили их родители, может обеспечить передачу микробиома в ряду поколений (Blum et al., 2013; Erkosar et al., 2013).

Чтобы оценить возможный вклад микробиома в адаптацию дрозофил к повышенной концентрации NaCl, мы ранее сравнили эффективность репродукции мух на соленом корме, на поверхность которого был предварительно нанесен гомогенат мух либо из адаптированных к соли, либо из контрольных (неадаптированных) линий. Мы показали, что посев гомогенизированных дрозофил из адаптированных к соли линий

повышает эффективность размножения контрольных (неадаптированных) мух на соленом корме по сравнению с посевом гомогенезированных мух из контрольных линий. Данный результат был получен на четырех лабораторных линиях (двух адаптированных к соли и двух контрольных), содержащихся в популяционных боксах с перекрывающимися поколениями. Кроме того, мы обнаружили контрастные различия в численности и таксономическом составе дрожжей в гомогенатах дрозофил из адаптированных к соли и контрольных линий (Ивницкий и др., 2018). Эти результаты согласуются с предположением о том, что изменения симбиотического микробиома, в том числе его дрожжевого компонента, могут вносить вклад в адаптацию дрозофил к неблагоприятным кормовым субстратам. Говоря более конкретно, мы получили аргумент в пользу того, что наблюдаемая в эволюционных экспериментах (нашем и других) адаптация дрозофил к соленому корму, возможно, обусловлена тем, что в симбиотическом микробиоме дрозофил происходят количественные или качественные изменения, повышающие приспособленность мух (и всего симбиотического комплекса -холобионта) к соленому корму.

В данной работе мы проверили это предположение на четырех других линиях дрозофил, содержащихся в иных условиях (в стеклянных банках с почти не перекрывающимися поколениями), а также попытались выявить конкретные компоненты микробиома, влияющие на приспособленность дрозофил к соленому корму. Работа по оценке вклада микробиома в адаптацию дрозофил к повышенной концентрации №С1 состояла из четырех этапов:

1) Сначала мы убедились, что в ходе нашего эволюционного эксперимента две линии дрозофил, содержавшиеся в течение трех лет на соленом корме, действительно приспособились к этому корму и размножаются на нем эффективнее, чем две контрольные линии, содержавшиеся на нормальном (благоприятном) корме. Такое тестирование уже проводилось нами ранее, спустя 11 месяцев после начала эволюционного эксперимента, и дало положительные результаты. В рамках данной работы мы повторили тестирование спустя 34 месяца после начала эволюционного эксперимента и показали, что мухи, содержащиеся на соленом корме, по-прежнему приспособлены к нему лучше контрольных.

2) Затем мы убедились, что на исследуемых четырех линиях мух воспроизводится

результат, полученный ранее на четырех других линиях (содержащихся на тех же кормах, но в иных условиях) и состоящий в том, что предварительное нанесение гомогенизированных мух, адаптированных к соли, на поверхность соленого корма повышает эффективность размножения мух на этом корме (по сравнению с нанесением гомогенизированных контрольных мух).

3) Мы оценили численность и видовой состав дрожжевого микробиома четырех исследуемых линий дрозофил. Пять штаммов дрожжей, обнаруженных в контрольных и адаптированных к соли дрозофилах, были выделены в чистые культуры.

4) Наконец, мы проверили, как влияет на приспособленность мух к соленому корму каждый из выделенных штаммов дрожжей по отдельности. Мы обнаружили, что штаммы, выделенные из адаптированных к соли мух, лучше помогают дрозофилам размножаться на соленом корме, чем штаммы, выделенные из контрольных мух, а также чем обычные пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisae (которые не были обнаружены в гомогенатах изучаемых линий дрозофил). Самым сильным положительным эффектом обладают дрожжи вида Starmerella bacillaris, которые в большом количестве присутствуют в микробиоме всех четырех исследованных (в данной работе и ранее) линий дрозофил, адаптированных к соленому корму, и отсутствуют (либо присутствуют в незначительном количестве) в микробиоме всех четырех контрольных линий.

Таким образом, мы получили подтверждение гипотезы о вкладе симбиотических дрожжей в адаптацию дрозофил к соленому корму и выделили компоненты дрожжевого микробиома, которые, по-видимому, ответственны за этот вклад.

Исключительно важным, но слабо изученным аспектом взаимоотношений между микробиомом и организмом-хозяином являются закономерные изменения численности и состава микробиома, происходящие в течение жизни макроорганизма (Nicholson et al., 2012). Отсутствие детальных данных об изменениях дрожжевой составляющей микробиома дрозофил, связанных с возрастом и стадией жизненного цикла, препятствует адекватному пониманию взаимоотношений дрожжей с насекомым-хозяином. Мы попытались восполнить этот пробел, охарактеризовав численность и видовой состав дрожжевой части микробиома трех лабораторных линий D. melanogaster на четырех возрастных стадиях.

Наконец, в заключительной части работы мы попытались охарактеризовать общие

закономерности изменения численности и видового состава дрожжевого микробиома дрозофил по мере роста концентрации соли в корме, к которому адаптируются насекомые. Этот вопрос ранее не изучался. Для этого мы изучили численность и видовой состав дрожжевой части микробиома 11 лабораторных линий Б. melanogaster, адаптированных к различным концентрациям соли, и сравнили эти данные с дрожжевым населением кормовых субстратов, на которых содержатся мухи.

Цель и задачи работы

Целью данной работы является общая характеристика симбиотической дрожжевой микробиоты лабораторных линий Бго&орЫ1а melanogaster, адаптирующихся к кормам с различной концентрацией №0, и оценка вклада этой микробиоты в адаптацию дрозофил к повышенной концентрации соли в кормовом субстрате, происходящую в ходе эволюционного эксперимента.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

• Провести эволюционный эксперимент, в ходе которого подопытные линии дрозофил приспосабливаются к кормовым субстратам с разными концентрациями хлорида натрия (№0).

• Оценить приспособленность подопытных линий дрозофил, участвующих в эволюционном эксперименте, к кормовым субстратам с различными концентрациями

ша

• Охарактеризовать дрожжевую микробиоту, полученную из гомогенатов исследуемых линий мух

• Экспериментально оценить влияние микробиоты, а также отдельных чистых штаммов дрожжей на адаптацию подопытных дрозофил к корму с повышенным содержанием

ша.

• Охарактеризовать изменения дрожжевой микробиоты Б. melanogaster в зависимости от возраста и стадии жизненного цикла насекомого.

• Охарактеризовать изменения дрожжевой микробиоты Б. melanogaster в зависимости от концентрации соли в кормовой среде, на которой содержится данная линия мух.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования выбраны дрозофилы вида Drosophila melanogaster, которые в условиях долгосрочного эволюционного эксперимента в течение ряда лет адаптировались к кормам с различным содержанием №С1. D. melanogaster - классический модельный объект, характеризующийся, высоким адаптационным потенциалом, легкостью разведения и поддержания популяции в лаборатории, быстрой сменой поколений, а также наличием симбиотической микробиоты, влияющей на различные аспекты биологии данного вида. Все это делает данный объект весьма удобным для изучения взаимодействий между макроорганизмом и его микробиомом в ходе адаптации к неблагоприятным условиям среды.

Предметом исследования являлось влияние дрожжевой части микробиома на адаптацию дрозофил к неблагоприятным условиям, а именно к кормовым субстратам с повышенным содержанием №0. Хотя в природе дрозофилы почти не встречаются на соленых субстратах, в родственных семействах двукрылых (например, сем. Ephydridae) есть виды, адаптированные к таким субстратам, а адаптация дрозофил к соли ранее успешно использовалась в качестве модельной системы в эволюционных экспериментах. О роли микробиома в такой адаптации до сих пор практически ничего не было известно.

Научная новизна работы

Исследования выполнены в русле т.н. хологеномной теории эволюции, рассматривающей организм с его микробиомом как единую эволюционирующую систему. Можно ожидать, что дальнейшее развитие этих исследований позволит на новом уровне оценить правомочность сценария появления новых адаптивных свойств организма-хозяина через изменение его микробиома.

Впервые подробно изучен и описан состав дрожжей, ассоциированных с дрозофилами,

которых в течение ряда лет (3 - 6 лет, примерно 80 - 160 поколений) содержали в

неблагоприятной среде (на соленом корме), по сравнению с контрольными дрозофилами,

содержавшимися на нормальном корме.Впервые описаны закономерные изменения численности и видового состава дрожжей, ассоциированных с дрозофилами, в зависимости от возраста и стадии жизненного цикланасекомого, а также от концентрации соли в корме, на котором содержится данная линиядрозофил.

Впервые получены прямые экспериментальные подтверждения вклада симбиотического микробиома в адаптацию дрозофил к неблагоприятной среде, наблюдаемую в эволюционном эксперименте. До сих пор такая адаптация всегда «по умолчанию» трактовалась как результат изменений генофонда самой подопытной линии насекомых. Мы же впервые показали, что адаптация может происходить также и за счет изменений симбиотического микробиома. Впервые показана ведущая роль одного вида дрожжей -Starmerella bacillaris, в формировании данной адаптации.

Теоретическая и практическая значимость работы

Новые данные позволяют лучше понять малоизученный аспект адаптивной эволюции многоклеточных организмов, который состоит в том, что наблюдаемые эволюционные изменения фенотипа и приспособленности макроорганизмов отчасти могут объясняться не изменениями генофонда рассматриваемой популяции самих макроорганизмов, а изменениями их микробиома. Таким образом, работа проливает свет на роль симбиотических комплексов и взаимоотношений в адаптивной эволюции. Новые данные по влиянию дрожжевой части симбиотического микробиома на адаптацию дрозофил к неблагоприятным условиям среды вносят важный вклад в понимание фундаментальных закономерностей адаптивной эволюции. Поэтому работа носит фундаментальный характер. Полученные результаты могут использоваться в образовательных целях, в том числе для студентов биологического факультета МГУ.

Практическая ценность данной работы заключается в том, что она показывает значимость сочетания детальных исследований макроорганизма с методами изучения микробиома. Понимание роли микробиома в адаптации насекомых к новым кормовым субстратам в дальнейшем может найти применение в сельском хозяйстве. Во многих эволюционных исследованиях, проводимых на насекомых, роль микробиома, как правило, полностью

игнорируется; новые результаты показывают, что это может приводить к ошибочным интерпретациям получаемых результатов. В этом состоит методологическое значение работы.

Методология диссертационного исследования

В основе методологии данного исследования лежит комплексное применение методов эволюционного эксперимента, количественной оценки приспособленности макроорганизмов и микробиологического анализа (включая микробиологические посевы, выделение чистых культур дрожжей, молекулярно-генетические методы идентификации видов дрожжей), а также современных методов статистического анализа (см. Главу 2 «Материалы и методы»). Такой комплексный подход позволил впервые охарактеризовать вклад дрожжевого компонента микробиома дрозофил в наблюдаемую в эволюционном эксперименте адаптацию насекомых к повышенной солености кормового субстрата, а также описать закономерные изменения микробиома, зависящие, во-первых, от стадии жизненного цикла и возраста насекомого, во-вторых - от концентрации соли в кормовом субстрате, к которому адаптируются насекомые.

Достоверность полученных результатов обеспечивается достаточным уровнем воспроизводимости результатов, наличием повторностей, достаточным размером выборок, наличием адекватных контролей, применением стандартных статистических и микробиологических методов, а также учетом всех релевантных литературных данных.

Положения, выносимые на защиту:

• Адаптация D. melanogaster к соленому кормовому субстрату не только не снижает приспособленность к благоприятному (без добавления соли) корму, но даже, вероятно, повышает ее, приводя, таким образом, к расширению трофической ниши.

• Микробиота дрозофил, адаптированных к соли, повышает приспособленность дрозофил к соленому корму. Это следует из того, что эффективность размножения контрольных (не адаптированных к соли) дрозофил на кормовом субстрате с высоким

содержанием №С1 повышается, если на субстрат были предварительно нанесены гомогенизированные мухи из линий, адаптированных к соли (по сравнению с посевом гомогената контрольных мух).

• Численность и видовой состав дрожжевого компонента микробиома различается у контрольных и адаптированных к соли дрозофил;

• Численность и видовой состав дрожжевого компонента микробиома дрозофил закономерным образом меняется в зависимости от возраста и стадии жизненного цикла насекомого, а также от концентрации соли в корме, на котором содержится данная линия дрозофил;

• Отдельные штаммы дрожжей, выделенные из адаптированных к соли линий дрозофил, повышают эффективность размножения контрольных дрозофил на соленом корме. Наибольший положительный эффект оказывают дрожжи вида Starmerella bacillaris, присутствующие в адаптированных к соли линиях и отсутствующие в контрольных.

• Полученные результаты в целом согласуются с идеей о значительном вкладе

симбиотических дрожжей в наблюдаемую в эволюционных экспериментах адаптацию лабораторных линий Б. melanogaster к кормовым субстратам с повышенным содержанием №0.

Личный вклад автора

Автор принимал активное участие во всех этапах работы: содержание подопытных линий дрозофил в ходе эволюционного эксперимента, техническая обработка материала и работа с культивируемыми линиями Drosophila melanogaster совместно с сотрудниками кафедры биологической эволюции биологического факультета МГУ; определение видов дрожжей проводилось совместно с Максимовой И.А. (кафедра биологии почв факультета почвоведения МГУ); использование методов микробиологического посева, анализ научной литературы проводились самостоятельно; интерпретация полученных результатов и их публикация в научных журналах проводилась совместно с Марковым А.В., Максимовой И.А, Ивницким С.Б., Качалкиным А.В., Панченко П.Л., а их представление на научных конференциях - самостоятельно.

Апробация полученных результатов

Материалы диссертационной работы были представлены на следующих конференциях: Международные:

1. Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2016» в секции «Биология, Охрана окружающей среды» с 11 по 15 апреля в Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова, «Оценка влияния адаптации мух Drosophila melanogaster (Meigen, 1830) на приспособленность при чередовании неблагоприятного и стандартного кормовых субстратов», устный доклад

2. III Международная научно-практическая конференция «Современные проблемы биологической эволюции», посвящённая 130-летию со дня рождения Н.И. Вавилова и 110 - летию со дня основания Дарвиновского музея (16-20 октября 2017 г)

Круглый стол «Экспериментальная эволюция». Дмитриева А.С., Ивницкий С.Б.,Марков А.В." Адаптация Drosophila melanogaster к стрессовой среде сопровождается изменением симбиотической микрофлоры", устный доклад.

Всероссийская:

3. Универсиада «Ломоносов» по современным проблемам биологии в секции «Зоология, ботаника, антропология» 1 февраля - 23 апреля 2016г. в Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова «Изучение адаптации Drosophila melanogaster (Díptera, Drosophilidae) к среде с повышенным содержанием NaCl.», устный доклад.

Публикации по теме диссертации

По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ. Из них 5 статей в журналах из списка Scopus, Web of Science, 2 работы тезисы опубликованы в материалах международных и всероссийских конференций. Личный вклад автора в совместных статьях составляет от У (публикации за 2016 и 2021 гг.) до 1/3 (2019, 2018, 2022).

Статьи по теме диссертации:

1) Дмитриева А.С., Ивницкий С.Б., Марков А.В. Адаптация Drosophila melanogaster к неблагоприятному кормовому субстрату сопровождается расширением трофической

ниши // Журн. общей биологии. 2016. Т. 77. С. 249-261.

2) Ивницкий С.Б., Максимова И.А., Панченко П.Л., Дмитриева А.С., Качалкин А.В., Корнилова М.Б., Перфильева К.С., Марков А.В. Роль микробиома в адаптации Drosophila melanogaster к кормовому субстрату с повышенной концентрацией NaCl // Журн. общей биологии. 2018. Т. 79. С. 393-403.

3) Dmitrieva A.S., Ivnitsky S.B., Maksimova I.A., Panchenko P.L., Kachalkin A.V., Markov A.V. Symbiotic yeasts affect adaptation of Drosophila melanogaster to food substrate with high NaCl concentration // PLoS One. 2019. V. 14. e0224811.

4) Дмитриева А.С., Максимова И.А., Качалкин А.В., Марков А.В. 2021 Возрастные изменения дрожжевой составляющей микробиома Drosophila melanogaster // Микробиология. Т. 90, № 2, с. 226-235

5) Дмитриева А.С., Яковлева Е.Ю., Максимова И.А., Белов А.А., Марков А.В. Изменения комплекса симбиотических дрожжей Drosophila melanogaster при адаптации мух к субстратам с повышенным содержанием NaCl // Журн. общей биологии. 2022. том 83, № 1, с. 29-37.

Тезисы:

1. Дмитриева А. С. "Влияние симбиотических дрожжей на адаптацию Drosophila melanogaster к кормовому субстрату с повышенным содержанием NaCl" в сборнике Материалы международного молодежного научного форума «Ломоносов-2020» [Электронный ресурс] / отв.ред. И.А. Алешковский, А.В. Андриянов, Е.А. Антипов, издательство ООО "МАКС Пресс" (Москва), 2020г., тезисы https://lomonosov-msu.ru/archive/Lomonosov_2020/data/section_2_19236.htm

2. Яковлева Е.Ю., Дмитриева А.С., Максимова И.А., Марков А.В. "Роль дрожжевой микробиоты в адаптации двукрылых к субстратам с повышенным содержанием NaCl"

в сборнике XI Всероссийский диптерологический симпозиум (с международным участием), Воронеж, 24-29 августа 2020 г.: сборник материалов, место издания Санкт-Петербург: Русское энтомологическое общество: ООО «Издательство "ЛЕМА"», тезисы, с. 266-270, 2020г., тезисы ИИр8://,^№^еНЬгагу.га/11ет.а8р?1д=44090237

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, пяти глав (Обзор литературы, Материалы и методы,

Результаты, Обсуждение, Заключение), Выводов, Благодарностей и Списка литературы.

Работа изложена на 79 страницах, включает в себя шесть рисунков и две таблицы.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1 Краткий обзор данных по Бго8оркИа melanogaster

Плодовая мушка Drosophila melanogaster не случайно стала одним из первых биологических объектов, рассматриваемых с точки зрения симбиотической парадигмы и хологеномной теории эволюции. Дрозофила фруктовая (Drosophila melanogaster) — двукрылое насекомое, вид плодовой мухи из рода дрозофил. Широко используется в научных целях начиная с работ Томаса Моргана по генетике пола и хромосомной теории наследственности. Важными характеристиками D. melanogaster как модельного объекта является малое число хромосом, наличие политенных хромосом в ряде органов, большое разнообразие видимых проявлений мутаций, полностью отсеквенироваанный геном. В настоящее время D. melanogaster — один из наиболее изученных видов живых организмов. Популярность объекта объясняется высокой адаптационной активностью, легкостью разведения и поддержания популяции в лаборатории, коротким жизненным циклом (длительность онтогенеза дрозофилы при 25°С — около 9 суток, при 18°С — две недели). Самка за свою жизнь откладывает несколько сотен яиц (через 22 часа после оплодотворения). При оптимальных условиях личинки появляются через 25 часов и растут на протяжении 5 дней, дважды линяя за это время: через 23 и 60 часов после вылупления. Наконец, личинка окружается личиночной шкуркой (пупарием) и превращается куколку. Стадия куколки длится около пяти суток. Под покровами куколки происходит метаморфоз, в результате которого развиваются органы имаго. Первое спаривание у самки происходит не ранее чем через 12 часов после выхода из куколки. Самки могут сохранять сперму от самцов, с которыми они спариваются, для последующего использования.

В природе личинки дрозофил являются сапрофагами и используют в качестве пищи разлагающиеся органические остатки, преимущественно фрукты. Однако биология как личинок, так и имаго дрозофил тесно связана с определенными видами дрожжей и бактерий. Взрослые мухи распространяют на используемых ими кормах специфическую дрожжевую и бактериальную микробиоту, перенося их на поверхности тела и в кишечнике. Таким образом, последующие поколения личинок могут унаследовать

симбиотических спутников от родителей. При этом бактерии в отсутствие дрожжей не способны поддерживать нормальное развитие дрозофил (Хавинсон, 2000). Дрожжи являются важным компонентом микробиома D. melanogaster, так как плодовые мушки неспособны самостоятельно вырабатывать гормон экдизон, без которого нормальное протекание линьки и полноценное развитие становится невозможным. Как раз преимущественно дрожжи обеспечивают первый этап переработки пищевого субстрата и синтез предшественников экдизона и поэтому они являются обязательным компонентом искусственных питательных сред для плодовых мушек (Инге-Вечтомов 1997) и, как мы показываем в настоящей работе, полноценными участниками адаптационного процесса.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Дмитриева Анастасия Сергеевна, 2023 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Глушакова А.М., Качалкин А.В., Чернов И.Ю. Особенности динамики эпифитных и почвенных дрожжевых сообществ в зарослях недотроги железистой на перегнойно-глеевой почве // Почвоведение. 2011. № 8. С. 966-972.

2. Глушакова А.М., Качалкин А.В. Эндофитные дрожжи в сочных плодахМй/us domestica и Pyrus communis в условиях антропогенизации // Микробиология. 2017. Т. 86. С. 114-122.

3. Горшкова А. А., Фетисова Е. С., Яковлева Е. Ю., Наймарк Е. Б., Марков А. В. Влияние пространственной гетерогенности среды на адаптацию Drosophi/a me/anogaster к неблагоприятным кормовым субстратам: результаты эволюционного эксперимента // Журн. общ. биологии. 2018. Т. 79. № 1. С. 3-17.

4. Дмитриева А.С., Ивницкий С.Б., Марков А.В. Адаптация Drosophi/a me/anogaster к неблагоприятному кормовому субстрату сопровождается расширением трофической ниши // Журн. общ. биологии. 2016. Т. 77. № 4. С. 249-261.

5. Дмитриева А.С., Максимова И.А., Качалкин А.В., Марков А.В., Возрастныеизменения дрожжевой составляющей микробиома Drosophi/a me/anogaster //Микробиология. 2021. Т. 90. № 2. С. 226-235.

6. Ивницкий С. Б., Максимова И. А., Панченко П. Л., Дмитриева А. С., Корнилова М. Б., Перфильева К. С., Марков А. В. Роль микробиома в адаптации Drosophi/a me/anogaster к кормовому субстрату с повышенной концентрацией NaCl // Журн. общ. биологии. 2018. Т. 79. С. 393-403.

7. Инге-Вечтомов С.Г., 1997. Метаболизм стеринов и защита растений // Соросовский образовательный журнал. 1997. № 11., с.16— 21

8. Марков А.В., Захаров. И.А., 2005. Половое размножение насекомых регулируется цитоплазматическими бактериями. // 2005 Онтогенез. Т. 36. № 4. С. 280-291

9. Марков А.В., Ивницкий С.Б., Корнилова М.Б., Наймарк Е.Б., Широкова Н.Г., Перфильева К.С. Материнский эффект маскирует адаптацию к неблагоприятным условиям и затрудняет дивергенцию у Drosophi/a me/anogaster // Журн. общ. биологии. 2015. Т. 76. № 6. С. 429-437.

10. Марков А.В., Ивницкий С.Б. Эволюционная роль фенотипической пластичности // Вестн. Моск. ун-та.Сер. 16. Биология. 2016. № 4. С. 3-11.

11. Панченко П. Л., Корнилова М. Б., Перфильева К. С., Марков А. В., 2017. Симбиотическая микробиота вносит вклад в адаптацию Drosophila melanogaster к неблагоприятной кормовой среде // Изв. РАН. Сер. биол. № 4. С. 341-351.

12. Савинов А.Б., 2005. Новая популяционная парадигма: популяция как симбиотическая самоуправляемая система // Вестн. Нижегород. ун-та им. Н.И. Лобачевского. Сер. Биология. 2005. Вып. 1 (9). С. 181-196.

13. Савинов А.Б., 2006. Биосистемология (системные основы теории эволюции и экологии). // Н.Новгород: Изд-во ННГУ, 2006. 205 с.

14. Савинов А.Б., 2007. Феномен облигатности симбиоза: организм и популяция в свете новой парадигмы // Матер. IV Всерос. шк. по теор. и морск. паразитологии. Калининград: Изд-во АтлантНИРО, 2007. С. 186-188.

15. Савинов А.Б., 2008. Аутоценоз и демоценоз - новые категории для паразитологии, экологии и эволюционной биологии// Матер. IV Всерос. Съезда Паразитол. о-ва при РАН. Т. 3. СПб.: "Лема", 2008. С. 122-126

16. Савинов А.Б., 2012. Аутоценоз и демоценоз как симбиотические системы и биологические категории // Журн. общей биологии. Т. 73. № 4. С. 284-301.

17. Хавинсон В.Х., 2000. Влияние тетрапептида эпифиза на состояние антиоксидантной защиты у Drosophila melanogaster // Бюл. эксперим. биологии и медицины. - 2000. -Т. 129, №4. - С. 420 - 422.

18. Шапошников Г.Х. Специфичность и возникновение адаптаций к новым хозяевам у тлей (Homoptera, Aphidoidea) в процессе естественного отбора (экспериментальные исследования) // Энтомол. обозрение. 1961. Т. 40. № 4. С. 739-762.

19. Aanen D.K., Eggleton P., Rouland-Lefevre C., Guldberg-Froslev T., Rosendahl S., Boomsma J.J. The evolution of fungus-growing termites and their mutualistic fungal symbionts // PNAS. 2002. 99 (23) P. 14887-14892.

20. Akman Gunduz E., Douglas A.E. Symbiotic bacteria enable insect to use a nutritionally inadequate diet // Proc. Biol. Sci. B. 2009. V. 276. P. 987-991.

21. Anagnostou C., Dorsch M., Rohlfs M. Influence of dietary yeasts on Drosophila melanogaster life-history traits // Entomol. Exp. Appl. 2010. V. 136. P. 1-11.

22. Arbuthnott D., Rundle H.D. Misalignment of natural and sexual selection among divergently adapted Drosophila melanogaster populations // Animal Behav. 2014. V. 87.P. 45-51.

23. Becher P.G., Flick G., Rozp^dowska E., Schmidt A., Hagman A., Lebreton S., Larsson M.C., Hansson B.S., Piskur J., Bengtsson M. Yeast, not fruit volatiles mediate Drosophila melanogaster attraction, oviposition and development // Functional Ecology. 2012. V. 26. P. 822-828.

24. Belkina E.G., Naimark E.B., Gorshkova A.A., Markov A.V. Does adaptation to different diets result in assortative mating? Ambiguous results from experiments on Drosophila // J Evolution Biol. 2018; 31:1803-1814.

25. Blum J.E., Fischer C.N., Miles J., Handelsman J. Frequent replenishment sustains the beneficial microbiome of Drosophila melanogaster // mBio. 2013. V. 4. e00860.

26. Bordenstein S.R., Theis K.R. Host biology in light of the microbiome: ten principles of holobionts and hologenomes// PLoS Biol. 2015. V. 13. № 8. e1002226.

27. Bressac C, Rousset F. The reproductive incompatibility system in Drosophila simulans: DAPI-staining analysis of the Wolbachia symbionts in sperm cysts. // J InvertebrPathol. 1993 May;61(3):226-30.

28. Broderick NA, Lemaitre B. Gut-associated microbes of Drosophila melanogaster // Gut Microbes. 2012 Jul-Aug; 3(4):307-21.

29. Brummel T., Ching A., Seroude L., Simon A.F., Benzer S. Drosophila lifespan enhancement by exogenous bacteria // Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2004. V. 101.P. 12974-12979.

30. Chandler J.A., Eisen J.A., Kopp A. Yeast communities of diverse Drosophila species: comparison of two symbiont groups in the same hosts // Appl. Envir. Microbiol.2012. V. 78. № 20. P. 7327-7336.

31. Choinska R., Piasecka-Jozwiak K., Chablowska B., Dumka J., Lukaszewicz A. Biocontrol ability and volatile organic compounds production as a putative mode of action of yeast strains isolated from organic grapes and rye grains // Antonie van Leeuwenhoek. 2020. V. 113. P. 1135-1146.

32. Clark R.I., Salazar A., Yamada R., Fitz-Gibbon S., Morselli M., Alcaraz J., Rana A., Rera M., Pellegrini M., Ja W.W., Walker D.W. Distinct shifts in microbiota composition during Drosophila aging impair intestinal function and drive mortality // Cell Reports. 2015. V. 12. P.1656-1667.

33. Coluccio A.E., Rodriguez R.K., Kernan M.J., Neiman A.M. The yeast spore wall enables spores to survive passage through the digestive tract of Drosophila // PLoS ONE. 2008. V. 3. № 8. e2873.

34. Csoma H., Acs-Szabo L., Papp L.A., Sipiczki M. Application of different markers and data-analysis tools to the examination of biodiversity can lead to different results: a case study with Starmerella bacillaris (synonym Candida zemplinina) strains // FEMS Yeast Research, foy021, https://doi.org/10.1093/femsyr/foy021 Published: 06 March 2018

35. Dmitrieva A.S., Ivnitsky S.B., Maksimova I.A., Panchenko P.L., Kachalkin A.V., Markov A.V. Symbiotic yeasts affect adaptation of Drosophila melanogaster to food substrate with high NaCl concentration // PLoS One. 2019. V. 14. e0224811.

36. Dodd D.M.B., 1989. Reproductive isolation as a consequence of adaptive divergence in Drosophilapseudoobscura // Evolution. V. 43. P. 1308-1311.

37. Dunbar H.E., Wilson A.C.C., Ferguson N.R., Moran N.A. Aphid thermal tolerance is governed by a point mutation in bacterial symbionts // PLoS Biol. 2007. V. 5. №5: e96

38. Erkosar B., Storelli G., Defaye A., Leulier F. Host-intestinal microbiota mutualism: "learning on the fly'' // Cell Host Microbe. 2013. V. 13. P. 8-14.

39. Erkosar B, Leulier F. Transient adult microbiota, gut homeostasis and longevity: novel insights from the Drosophila model. FEBS Letters. 2014;588(22):4250-4257. doi: 10.1016/j.febslet.2014.06.041.

40. Feng J., Zhan X.-B., Wang D., Zhang L.-M., Lin C.-C., 2012. Identification and analysis of the metabolic functions of a high-salt-tolerant halophilic aromatic yeast Candida etchellsii for soy sauce production // World J. Microbiol. Biotechnol. V. 28. № 4. P. 1451-1458.

41. Guilhot R., Rombaut A., Xuereb A., Howell K., Fellous S. Bacterial influence on the maintenance of symbiotic yeast through Drosophila metamorphosis // bioRxiv. Preprint posted June 01, 2020. https://doi.org/10.1101/2020.05.31.126185

42. Günther C.S., Goddard M.R. Do yeasts and Drosophila interact just by chance? // Fungal Ecology. 2019. V. 38. P. 37-43.

43. Ha E.M., Lee K.A., Park S.H., Kim S.H., Nam H.J., Lee H.Y., Kang D., Lee W.J. Regulation of DUOX by the Galphaq-phospholipase Cbeta-Ca2+ pathway in Drosophila gut immunity // Dev Cell. 2009 Mar; 16(3):386-97.

44. Hoang D., Kopp A., Chandler J. A. Interactions between Drosophila and its natural yeast symbionts—Is Saccharomyces cerevisiae a good model for studying the fly-yeast relationship? // PeerJ. 2015; 3: e1116.

45. Hurst G.D., Johnson A.P., Schulenburg J.H., Fuyama Y. Male-killing Wolbachia in Drosophila: a temperature-sensitive trait with a threshold bacterial density. // Genetics. 2000 0ct;156(2):699-709.

46. Kawecki T.J., Lenski R.E., Ebert D., Hollis B., Olivieri I., Whitlock M.C. Experimental evolution // Trends Ecol. Evol. 2012. V. 27. № 10. P. 547-560.

47. Kurtzman C.P., Fell J.W., Boekhout T. (eds.) The Yeasts, a Taxonomic Study. 5th edn. Elsevier, 2011. 2080 p.

48. Lee F.-L., Lee C.-F., Okada S., Hsu W.-H., Kozaki M., 1992. Chemotaxonomic comparison of osmotolerant yeasts isolated from "Inyu" (black soybean sauce) mash in Taiwan and "Shoyu" (soybean sauce) mash in Japan // Bull. Jpn. Fed. Cult. Coll. V. 8. P. 11-17.

49. Leftwich P.T., Clarke N.V.E., Hutchings M.I., Chapman T. Gut microbiomes and reproductive isolation in Drosophila // Proc Natl Acad Sci USA. 2017; 114(48):12767-12772.

50. Long T.A.F., Rowe L., Agrawal A.F. The effects of selective history and environmental heterogeneity on inbreeding depression in experimental populations of Drosophila melanogaster // Am. Nat. 2013. V. 181. P. 532-544.

51. Margulis L., Fester R. Symbiosis as a Source of evolutionary innovation: speciation and morphogenesis. Boston: MIT Press, 1991. 454 p.

52. McFall-Ngai M.J. Unseen forces: the influence of bacteria on animal development // Develop. Biol. 2002. V. 242.P. 1-14.

53. Minard G., Mavingui P., Moro C. V. Diversity and function of bacterial microbiota in the mosquito holobiont // Parasites & vectors. - 2013. - T. 6. - №. 1. - C. 146.

54. Moran N.A., Sloan D.B. The hologenome concept: helpful or hollow? // PLoS Biol. 2015. V. 13. e1002311.

55. Mueller U.G., Rehner S.A., Schultz T.R. The Evolution of Agriculture in Ants // Science. 1998. V. 281, Issue 5385, P. 2034-2038.

56. Munson M.A., Baumann P., Kinsey M.G. Buchnera gen. nov. and Buchnera aphidicola sp. nov., a Taxon Consisting of the Mycetocyte-Associated, Primary Endosymbionts of Aphids // Int. J. Syst. Bacteriol. 1991. V. 41. № 4. P. 566-568.

57. Najarro M.A., Sumethasorn M., Lamoureux A., Turner T.L., 2015. Choosing mates based on the diet of your ancestors: replication of non-genetic assortative mating in Drosophila melanogaster // PeerJ 3: e1173.

58. Newell P.D., Chaston J.M., Wang Y., Winans N.J., Sannino D.R., Wong A.C.-N., Dobson A.J., Kagle J., Douglas A.E. In vivo function and comparative genomic analyses of the Drosophila gut microbiota identify candidate symbiosis factors // Frontiers in Microbiology. 2014; 5:576. doi: 10.3389/fmicb.2014.00576.

59. Nicholson J.K., Holmes E., Kinross J., Burcelin R., Gibson G., Jia W., Pettersson S. Hostgut microbiota metabolic interactions// Science. 2012. V. 336. P. 1262-1267.

60. Phaff HJ, Knapp EP. The taxonomy of yeasts found in exudates of certain trees and other natural breeding sites of some species of Drosophila // Antonie Van Leeuwenhoek. 1956; 22(2):117-30.

61. Phaff HJ, Miller MW, Shifrine M. The taxonomy of yeasts isolated from Drosophila in the Yosemite region of California. Antonie van Leeuwenhoek 1956; 22:145-61.

62. Reuter M, Bell G, Greig D. Increased outbreeding in yeast in response to dispersal by an insect vector // Curr Biol. 2007 Feb 6; 17(3): R81-3.

63. Rosa C.A., Lachance M.-A., Silva J.O.C., Teixeira A.C.P., Marini M.M. et al., 2003. Yeast communities associated with stingless bees // FEMS Yeast Res. V. 4. № 3.P. 271-275.

64. Rosenberg E., Koren O., Reshef L., Efrony R., Zilber-Rosenberg I. The role of microorganisms in coral health, disease and evolution // Nat. Rev. Microbiol. 2007. V. 5. № 5. P. 355-362.

65. Rosenberg E., Sharon G., Zilber-Rosenberg I. The hologenome theory of evolution contains Lamarckian aspects within a Darwinian framework // Envir. Microbiol.2009. V. 11 № 12. P. 2959-2962.

66. Sharon G., Segal D., Ringo J.M., Hefetz A., Zilber-Rosenberg I., Rosenberg E., 2010. Commensal bacteria play a role in mating preference of Drosophila melanogaster // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. V. 107. P. 20051-20056.

67. Shin S.C., Kim S.H., You H., Kim B., Kim A.C., Lee K.A., Yoon J.H., Ryu J.H., Lee W.J. Drosophila microbiome modulates host developmental and metabolic homeostasis via insulin signaling // Science. 2011. V. 334.P. 670-674.

68. Sipiczki M. Candida zemplinina sp. nov., an osmotolerant and psychrotolerant yeast that ferments sweet botrytized wines // Int J Syst EvolMicrobiol 2003;53:2079-83.

69. Stamps JA, Yang LH, Morales VM, Boundy-Mills KL. Drosophila regulate yeast density and increase yeast community similarity in a natural substrate // PLoS One. 2012; 7(7):e42238.

70. Starmer W.T. A comparison of Drosophila habitats according to the physiological attributes of the associated yeast communities // Evolution. 1981. V. 35. № 1. P. 38-52.

71. Starmer W.T., Barker J.S.F., Phaff H.J., Fogleman J.C. Adaptations of Drosophila and Yeasts: their Interactions with the Volatile 2-propanol in the Cactus-Microorganism-Drosophila Model System // Aust. J. Biol. Sci. 1986. V. 39. P. 69-77.

72. Starmer W.T., Fogelman J.C. Coadaptation of Drosophila and yeasts in their natural habitat // J. Chem. Ecol. 1986.V. 12. P. 1037-1055.

73. Staubach F., Baines J.F., Kunzel S., Bik E.M., Petrov D.A. Host species and environmental effects on bacterial communities associated with Drosophila in the laboratory and in the natural environment // PLoS One. 2013. V. 8. e70749.

74. Stergiopoulos K., Cabrero P., Davies S.A., Dow J.A. Salty dog, an SLC5 symporter, modulates Drosophila response to salt stress // Physiol. Genom. 2009. V. 37.P. 1-11.

75. Storelli G., Defaye A., Erkosar B., Hols P., Royet J., Leulier F. Lactobacillus plantarum promotes Drosophila systemic growth by modulating hormonal signals through TOR dependent nutrient sensing // Cell Metab. 2011. V. 14.P. 403-414.

76. Suzuki M., Nakase T., Mori H., Toriumi H., Kurtzman C.P., 1992. Chemotaxonomic study on halophilic/halotolerant yeasts in the matured soy sauce mashes // Bull. Jpn. Fed. Cult. Coll. V. 8. P. 18-27.

77. Te Velde J.H., Molthoff C.F.M., Scharloo W. The function of anal papillae in salt adaptation of Drosophila melanogaster larvae // J. Evol. Biol. 1988. V. 2. P. 139-153.

78. Tefit M.A., Gillet B., Joncour P., Hughes S., Leulier F. Stable association of a Drosophila-derived microbiota with its animal partner and the nutritional environment throughout a fly population's life cycle // J. Insect Physiol. 2018. V. 106. P. 2-12.

79. Teixeira A.C.P., Marini M.M., Nicoli J.R., Antonini Y., Martins R.P. et al., 2003. Starmerella meliponinorum sp. nov., a novel ascomycetous yeast species associated with stingless bees // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. V. 53.P. 339-343.

80. Tryselius Y., Samakovlis C., Kimbrell D.A., Hultmark D. CecC, a cecropin gene expressed during metamorphosis in Drosophila pupae // Eur. J. Biochem. 1992. V. 204. P. 395-399.

81. Waddington C.H. Canalization of development and genetic assimilation of acquired characters // Nature. 1959.V. 183. P. 1654-1655.

82. Wanakhachornkrai P., Lertsiri S., 2003. Comparison of determination method for volatile compounds in Thai soy sauce // Food Chem. V. 83. P. 619-629.

83. Wong C.N.A., Ng P., Douglas A.E. Low-diversity bacterial community in the gut of the fruitfly Drosophila melanogaster // Environ. Microbiol. 2011. V. 13. P. 1889-1900.

84. Wong C.N.A., Vanhove A.S., Watnick P.I. The interplay between intestinal bacteria and host metabolism in health and disease: lessons from Drosophila melanogaster // Dis. Model.Mech. 2016. V. 9. P. 271-281.

85. Yamada R., Deshpande S.A., Bruce K.D., Mak E.M., Ja W.W. Microbes promote amino acid harvest to rescue undernutrition in Drosophila // Cell Rep. 2015. V. 10. P. 865-872.

86. Zilber-Rosenberg I., Rosenberg E. Role of microorganisms in the evolution of animals and plants: the hologenome theory of evolution // FEMS Microbiol. Rev. 2008. V. 32. P. 723735.