Drosophila ( / d r ə ˈ s ɒ f ɪ l ə , d r ɒ - , d r oʊ -/ [1] [ 2] ) — род мух, принадлежащий к семейству Drosophilidae , члены которого часто называются «маленькими плодовыми мушками» или мухами-жмыхами, уксусными мушками или винными мушками, что является отсылкой к характерной черте многих видов — задерживаться вокруг перезрелых или гниющих фруктов. Их не следует путать с Tephritidae , родственным семейством, которых также называют плодовыми мушками (иногда их называют «настоящими плодовыми мушками»); тефритиды питаются в основном незрелыми или спелыми фруктами , при этом многие виды считаются разрушительными сельскохозяйственными вредителями, особенно средиземноморская плодовая муха .
В частности, один из видов Drosophila , Drosophila melanogaster , активно использовался в исследованиях в области генетики и является обычным модельным организмом в биологии развития . Термины «плодовая мушка» и « Drosophila » часто используются как синонимы D. melanogaster в современной биологической литературе. Однако весь род насчитывает более 1500 видов [3] и очень разнообразен по внешнему виду, поведению и среде размножения.
Термин « дрозофила », означающий «росолюбивый», является современной научной латинской адаптацией греческих слов δρόσος , drósos , « роса », и φιλία , philía , «любящий».
Виды Drosophila — это небольшие мухи, обычно от бледно-желтого до красновато-коричневого или черного цвета, с красными глазами. Когда глаза (по сути, пленка линз) удаляются, обнажается мозг. Структура и функции мозга Drosophila значительно развиваются и стареют от личиночной до взрослой стадии. Развивающиеся структуры мозга делают этих мух главным кандидатом для нейрогенетических исследований. [4] Многие виды, включая известных гавайских картиннокрылов, имеют отчетливые черные узоры на крыльях. Перистая (перистая) ариста , щетинистость головы и груди и жилкование крыльев — это признаки, используемые для диагностики семейства. Большинство из них маленькие, около 2–4 миллиметров (0,079–0,157 дюйма) в длину, но некоторые, особенно многие из гавайских видов, крупнее комнатной мухи .
Экологическая проблема с природными токсинами помогла подготовить Drosophila e к детоксикации ДДТ , [5] : Аннотация [5] : 1365 [5] : 1369 путем формирования механизма глутатион- S -трансферазы [5] : 1365 [5] : 1369 , который метаболизирует оба. [5] : Аннотация [6]
Геном дрозофилы подвержен высокой степени отбора, особенно необычно широко распространенному отрицательному отбору по сравнению с другими таксонами . Большая часть генома находится под каким-то отбором, и подавляющее большинство этого происходит в некодирующей ДНК . [7]
Эффективный размер популяции, как было достоверно предположено, положительно коррелирует с размером эффекта как отрицательного, так и положительного отбора . Рекомбинация , вероятно, является значительным источником разнообразия . Есть доказательства того, что кроссинговер положительно коррелирует с полиморфизмом в популяциях D. [7]
Виды Drosophila встречаются по всему миру, больше видов в тропических регионах. Drosophila добрались до Гавайских островов и разделились на более чем 800 видов. [8] Их можно найти в пустынях , тропических лесах , городах , болотах и альпийских зонах . Некоторые северные виды впадают в спячку . Северный вид D. montana лучше всего адаптирован к холоду, [9] и в основном встречается на больших высотах. [10] Большинство видов размножаются в различных видах разлагающегося растительного и грибкового материала, включая фрукты , кору , слизистые потоки , цветы и грибы . Виды Drosophila , которые размножаются на фруктах, привлекаются различными продуктами брожения, особенно этанолом и метанолом . Фрукты, используемые видами Drosophila, включают фрукты с высокой концентрацией пектина, что является показателем того, сколько алкоголя будет произведено во время брожения. К этой категории относятся цитрусовые, моринда , яблоки, груши, сливы и абрикосы. [11]
Личинки по крайней мере одного вида, D. suzukii , также могут питаться свежими фруктами и иногда могут быть вредителями. [12] Несколько видов перешли на роль паразитов или хищников . Многие виды могут быть привлечены приманками в виде ферментированных бананов или грибов, но другие не привлекаются никакими приманками. Самцы могут собираться на участках подходящего для размножения субстрата, чтобы конкурировать за самок, или образовывать токи , проводя ухаживания в области, отдельной от мест размножения. [ требуется ссылка ]
Несколько видов Drosophila , включая Drosophila melanogaster , D. immigrans и D. simulans , тесно связаны с людьми и часто называются домашними видами. Эти и другие виды ( D. subobscura и родственный род Zaprionus indianus [13] [14] [15] ) были случайно завезены по всему миру в результате деятельности человека, например, при перевозке фруктов.
Известно, что самцы этого рода имеют самые длинные сперматозоиды среди всех изученных организмов на Земле, включая один вид, Drosophila bifurca , у которого сперматозоиды имеют длину 58 мм (2,3 дюйма). [16] Клетки в основном состоят из длинного нитевидного хвоста и доставляются самкам в запутанных кольцах. Другие члены рода Drosophila также производят относительно немного гигантских сперматозоидов, причем у D. bifurca они самые длинные. [17] Сперматозоиды D. melanogaster имеют более скромную длину — 1,8 мм, хотя это все еще примерно в 35 раз длиннее человеческой спермы. Известно, что несколько видов в группе видов D. melanogaster спариваются путем травматического оплодотворения . [18]
Виды Drosophila сильно различаются по своей репродуктивной способности. Такие, как D. melanogaster , которые размножаются в больших, относительно редких ресурсах, имеют яичники , в которых созревает 10–20 яиц за раз, так что их можно откладывать вместе на одном месте. Другие, которые размножаются в более обильных, но менее питательных субстратах, таких как листья, могут откладывать только одно яйцо в день. Яйца имеют одну или несколько дыхательных нитей около переднего конца; их кончики выступают над поверхностью и позволяют кислороду достигать эмбриона. Личинки питаются не самим растительным веществом, а дрожжами и микроорганизмами , присутствующими на разлагающемся субстрате для размножения. Время развития широко варьируется между видами (от 7 до более 60 дней) и зависит от факторов окружающей среды, таких как температура , субстрат для размножения и скученность.
Плодовые мушки откладывают яйца в ответ на экологические циклы. Яйца, отложенные в то время (например, ночью), в течение которого вероятность выживания выше, чем яйца, отложенные в другое время (например, днем), дают больше личинок, чем яйца, отложенные в это время. При прочих равных условиях , привычка откладывать яйца в это «выгодное» время даст больше выжившего потомства и больше внуков, чем привычка откладывать яйца в другое время. Этот дифференциальный репродуктивный успех заставил бы D. melanogaster адаптироваться к экологическим циклам, потому что такое поведение имеет большое репродуктивное преимущество. [19]
Их средняя продолжительность жизни составляет 35–45 дней. [20]
Повреждения ДНК накапливаются в кишечных стволовых клетках дрозофилы с возрастом. [21] Недостатки в реакции на повреждение ДНК дрозофилы , включая дефицит экспрессии генов, участвующих в восстановлении повреждений ДНК , ускоряют старение кишечных стволовых клеток ( энтероцитов ). [22] Шарплесс и Депиньо [23] рассмотрели доказательства того, что стволовые клетки подвергаются внутреннему старению, и предположили, что стволовые клетки стареют, отчасти, в результате повреждения ДНК.
Следующий раздел основан на следующих видах Drosophila : Drosophila simulans и Drosophila melanogaster .
Ухаживающее поведение самцов Drosophila является привлекательным поведением. [24] Самки реагируют через свое восприятие поведения, демонстрируемого самцом. [25] Самцы и самки Drosophila используют различные сенсорные сигналы, чтобы инициировать и оценить готовность к ухаживанию потенциального партнера. [24] [25] [26] Сигналы включают в себя следующее поведение: позиционирование, секреция феромонов, следование за самками, издавание постукивающих звуков ногами, пение, расправление крыльев, создание вибраций крыльев, облизывание гениталий, сгибание живота, попытка совокупления и сам акт совокупления. [27] [24] [25] [26] Песни Drosophila melanogaster и Drosophila simulans были тщательно изучены. Эти заманивающие песни имеют синусоидальную природу и различаются как внутри вида, так и между видами. [26]
Поведение ухаживания Drosophila melanogaster также оценивалось на предмет генов, связанных с полом, которые были вовлечены в поведение ухаживания как у самцов, так и у самок. [24] Недавние эксперименты изучают роль бесплодия ( fru ) и двойного пола ( dsx ), группы генов, связанных с поведением пола. [28] [24]
Ген бесплодия ( fru ) у дрозофилы помогает регулировать сеть поведения ухаживания самцов; когда происходит мутация этого гена, у самцов наблюдается измененное однополое сексуальное поведение. [29] Самцы дрозофилы с мутацией fru направляют свое ухаживание на других самцов, в отличие от типичного ухаживания, которое было бы направлено на самок. [30] Утрата мутации fru приводит к возвращению к типичному поведению ухаживания. [30]
Было обнаружено, что новый класс феромонов сохраняется в подроде Drosophila у 11 видов, обитающих в пустыне. [31] Эти феромоны представляют собой триацилглицериды, которые выделяются исключительно самцами из их эякуляторных луковиц и передаются самкам во время спаривания. Функция феромонов заключается в том, чтобы сделать самок непривлекательными для последующих женихов и, таким образом, подавить ухаживания со стороны других самцов.
Следующий раздел основан на следующих видах Drosophila : Drosophila serrata , Drosophila pseudoobscura , Drosophila melanogaster и Drosophila neotestacea . Полиандрия является известной системой спаривания среди Drosophila . [32] [33] [34] [35] Самки, спаривающиеся с несколькими половыми партнерами, являются выгодной стратегией спаривания для Drosophila . [32] [33] [34] [35] Преимущества включают как пред-, так и посткопуляционное спаривание. Предкопуляционные стратегии - это поведение, связанное с выбором партнера и генетическим вкладом, таким как производство гамет, которое демонстрируют как самцы, так и самки Drosophila в отношении выбора партнера. [32] [33] Посткопуляционные стратегии включают конкуренцию сперматозоидов, частоту спаривания и мейотический драйв соотношения полов. [32] [33] [34] [35]
Эти списки не являются исчерпывающими. Полиандрия среди Drosophila pseudoobscura в Северной Америке различается по числу партнеров для спаривания. [34] Существует связь между количеством времени, которое самки выбирают для спаривания, и хромосомными вариантами третьей хромосомы. [34] Считается, что наличие инвертированного полиморфизма является причиной повторного спаривания самок. [34] Стабильность этих полиморфизмов может быть связана с мейотическим драйвом соотношения полов. [35]
Однако для Drosophila subobscura основной системой спаривания является моноандрия, обычно не встречающаяся у Drosophila. [36]
Следующий раздел основан на следующих видах Drosophila : Drosophila melanogaster , Drosophila simulans и Drosophila mauritiana . Конкуренция сперматозоидов — это процесс, который полиандрические самки Drosophila используют для повышения приспособленности своего потомства. [37] [38] [39] [40] [41] У самки Drosophila есть два органа хранения спермы, сперматека и семяприемник, которые позволяют ей выбирать сперму, которая будет использоваться для оплодотворения ее яиц. [41] Однако некоторые виды Drosophila эволюционировали, чтобы использовать только один или другой. [42] Самки практически не контролируют, когда дело доходит до скрытого выбора самки . [40] [38] Самка Drosophila через скрытый выбор, один из нескольких посткопуляционных механизмов, который позволяет обнаруживать и выбрасывать сперму, что снижает возможности инбридинга. [39] [38] Manier et al. 2013 классифицировал посткопулятивный половой отбор Drosophila melanogaster , Drosophila simulans и Drosophila mauritiana на следующие три стадии: оплодотворение, хранение спермы и оплодотворяемая сперма. [40] Среди предшествующих видов на каждой стадии существуют вариации, которые играют роль в процессе естественного отбора. [40] Было обнаружено, что эта конкуренция спермы является движущей силой в установлении репродуктивной изоляции во время видообразования. [43] [44]
Партеногенез не происходит у D. melanogaster , но у мутанта gyn-f9 гиногенез происходит с низкой частотой. Естественные популяции D. mangebeirai полностью женские, что делает его единственным облигатным партеногенетическим видом Drosophila. Партеногенез является факультативным у parthenogenetica и mercatorum . [45] [46]
D. melanogaster является популярным экспериментальным животным, поскольку его легко культивировать в массовых масштабах в дикой природе, у него короткое время генерации, а мутантные животные легкодоступны. В 1906 году Томас Хант Морган начал свою работу над D. melanogaster и сообщил о своей первой находке мутанта с белыми глазами в 1910 году академическому сообществу. Он искал модельный организм для изучения генетической наследственности и нуждался в виде, который мог бы случайным образом приобретать генетическую мутацию, которая бы явно проявлялась в виде морфологических изменений у взрослого животного. Его работа над Drosophila принесла ему Нобелевскую премию по медицине 1933 года за определение хромосом как вектора наследования генов. Этот и другие виды Drosophila широко используются в исследованиях генетики , эмбриогенеза , хронобиологии , видообразования , нейробиологии и других областях. [ необходима ссылка ]
Однако некоторые виды Drosophila трудно культивировать в лабораторных условиях, часто потому, что они размножаются на одном конкретном хозяине в дикой природе. Для некоторых это можно сделать с помощью особых рецептов для среды выращивания или путем введения химикатов, таких как стерины , которые находятся в естественном хозяине; для других это (пока) невозможно. В некоторых случаях личинки могут развиваться на обычной лабораторной среде Drosophila , но самка не будет откладывать яйца; для них часто достаточно просто поместить небольшой кусочек естественного хозяина, чтобы получить яйца. [47]
Центр по сохранению видов дрозофил, расположенный в Корнелльском университете в Итаке , штат Нью-Йорк, содержит культуры сотен видов для исследователей. [48]
Дрозофила считается одним из самых ценных генетических модельных организмов; как взрослые особи, так и эмбрионы являются экспериментальными моделями. [49] Дрозофила является главным кандидатом для генетических исследований, поскольку связь между генами человека и плодовой мушки очень тесная. [50] Гены человека и плодовой мушки настолько похожи, что гены, вызывающие заболевания у людей, могут быть связаны с генами мух. У мухи приблизительно 15 500 генов на четырех хромосомах, тогда как у людей приблизительно 22 000 генов среди 23 хромосом. Таким образом, плотность генов на хромосому у дрозофилы выше, чем в геноме человека. [51] Низкое и управляемое количество хромосом облегчает изучение видов дрозофилы . Эти мухи также несут генетическую информацию и передают признаки из поколения в поколение, как и их человеческие аналоги. [ необходимо разъяснение ] Затем признаки можно изучать с помощью различных линий дрозофилы , а полученные результаты можно применять для выведения генетических тенденций у людей. Исследования, проведенные на Drosophila, помогают определить основные правила передачи генов во многих организмах. [52] [4] Drosophila является полезным инструментом in vivo для анализа болезни Альцгеймера. [53] Ромбовидные протеазы были впервые обнаружены у Drosophila, но затем было обнаружено, что они высококонсервативны среди эукариот , митохондрий и бактерий . [54] [55] Способность меланина защищать ДНК от ионизирующего излучения была наиболее широко продемонстрирована на Drosophila , в том числе в формативном исследовании Хопвуда и др. 1985 г. [56]
Как и другие животные, Drosophila связана с различными бактериями в своем кишечнике. Микробиота кишечника мухи или микробиом, по-видимому, оказывает центральное влияние на приспособленность Drosophila и характеристики жизненного цикла. Микробиота кишечника Drosophila представляет собой активную область современных исследований.
Виды Drosophila также являются носителями вертикально передаваемых эндосимбионтов, таких как Wolbachia и Spiroplasma . Эти эндосимбионты могут действовать как репродуктивные манипуляторы, такие как цитоплазматическая несовместимость , вызванная Wolbachia , или убийство самцов, вызванное D. melanogaster Spiroplasma poulsonii (названное MSRO). Фактор убийства самцов штамма D. melanogaster MSRO был обнаружен в 2018 году, что позволило решить десятилетнюю загадку причины убийства самцов. Это первый бактериальный фактор, который влияет на эукариотические клетки специфичным для пола образом, и является первым механизмом, идентифицированным для фенотипов убийства самцов. [57] В качестве альтернативы они могут защищать своих хозяев от инфекции. Drosophila Wolbachia может снижать вирусную нагрузку при заражении и исследуется как механизм контроля вирусных заболеваний ( например, лихорадки Денге) путем передачи этих Wolbachia комарам-переносчикам болезней. [58] Штамм S. poulsonii Drosophila neotestacea защищает своего хозяина от паразитических ос и нематод, используя токсины, которые преимущественно атакуют паразитов, а не хозяина. [59] [60] [61]
Поскольку вид Drosophila является одним из наиболее используемых модельных организмов, он широко использовался в генетике. Однако влияние абиотических факторов , [62] таких как температура, на микробиом видов Drosophila в последнее время вызывает большой интерес. Определенные колебания температуры оказывают влияние на микробиом. Было замечено, что более высокие температуры (31 °C) приводят к увеличению популяции Acetobacter в микробиоме кишечника Drosophila melanogaster по сравнению с более низкими температурами (13 °C). При низких температурах (13 °C) мухи были более устойчивы к холоду, а также имели самую высокую концентрацию Wolbachia. [63]
Микробиом кишечника также может быть трансплантирован между организмами. Было обнаружено, что Drosophila melanogaster стала более устойчивой к холоду, когда микробиота кишечника от Drosophila melanogaster , выращенная при низких температурах. Это показало, что микробиом кишечника коррелирует с физиологическими процессами. [64]
Более того, микробиом играет роль в агрессии, иммунитете, предпочтениях в откладывании яиц, передвижении и метаболизме . Что касается агрессии, то она играет определенную роль во время ухаживания. Было замечено, что безмикробные мухи не были столь конкурентоспособны по сравнению с самцами дикого типа. Также известно, что микробиом видов Drosophila способствует агрессии с помощью сигнализации октопамина OA. Было показано, что микробиом влияет на социальные взаимодействия этих плодовых мушек, в частности на агрессивное поведение, которое наблюдается во время ухаживания и спаривания . [65]
Виды Drosophila являются добычей многих хищников-универсалов, таких как мухи-грабители . На Гавайях интродукция желтожакетов с материковой части США привела к снижению численности многих крупных видов. Личинки становятся добычей других личинок мух, жуков -стафилинид и муравьев . [66]
Плодовые мушки используют несколько быстродействующих нейротрансмиттеров, похожих на те, что есть у людей, которые позволяют нейронам общаться и координировать поведение. Ацетилхолин, глутамат, гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), дофамин, серотонин и гистамин — все это нейротрансмиттеры, которые можно найти у людей, но у дрозофилы есть еще один нейротрансмиттер, октопамин, аналог норадреналина. Ацетилхолин является основным возбуждающим нейротрансмиттером, а ГАМК — основным тормозным нейротрансмиттером, используемым в центральной нервной системе дрозофилы. У дрозофилы эффекты многих нейротрансмиттеров могут различаться в зависимости от задействованных рецепторов и сигнальных путей, что позволяет им действовать как возбуждающие или тормозные сигналы в разных контекстах. Эта универсальность обеспечивает сложную нейронную обработку и поведенческую гибкость.
Глутамат может служить возбуждающим нейротрансмиттером, особенно в нервно-мышечном соединении у плодовых мушек. Это отличается от позвоночных, у которых в этих соединениях используется ацетилхолин.
У дрозофилы гистамин в первую очередь выполняет функцию нейротрансмиттера в зрительной системе. Он выделяется фоторецепторными клетками для передачи зрительной информации от глаза к мозгу, что делает его необходимым для зрения.
Как и многие эукариоты, этот род, как известно, экспрессирует SNARE , и, как и в случае с несколькими другими, компоненты комплекса SNARE, как известно, в некоторой степени заменяемы: хотя потеря SNAP-25 — компонента нейрональных SNARE — летальна, SNAP-24 может полностью заменить его. Другой пример: R-SNARE, обычно не встречающийся в синапсах , может заменить синаптобревин . [67]
Белок Spätzle является лигандом Toll . [68] [69] В дополнение к более известным ролям меланина в эндоскелете и нейрохимии , меланизация является одним из этапов иммунного ответа на некоторые патогены. [68] [69] Дуджич и др. 2019 г. дополнительно обнаружили большое количество общих сериновых протеазных посредников между Spätzle/Toll и меланизацией, а также большое количество перекрестных помех между этими путями. [68] [69]
Род Drosophila , как он определен в настоящее время, является парафилетическим (см. ниже) и содержит 1450 описанных видов, [ 3] [70], тогда как общее число видов оценивается в тысячи. [71] Большинство видов являются членами двух подродов: Drosophila (около 1100 видов) и Sophophora (включая D. (S.) melanogaster ; около 330 видов).
Гавайские виды Drosophila (по оценкам, их более 500, описано около 380 видов) иногда признаются отдельным родом или подродом Idiomyia [3] [72] , но это не является общепринятым. Около 250 видов являются частью рода Scaptomyza , который произошел от гавайской Drosophila и позже повторно заселил континентальные районы.
Данные филогенетических исследований показывают, что эти роды произошли от рода Drosophila : [73] [74]
Некоторые из подродовых и родовых названий основаны на анаграммах Drosophila , включая Dorsilopha , Lordiphosa , Siphlodora , Phloridosa и Psilodorha .
Виды Drosophila широко используются в качестве модельных организмов в генетике (включая популяционную генетику), клеточной биологии, биохимии и особенно биологии развития. Поэтому предпринимаются обширные усилия по секвенированию геномов дрозофилид. Геномы этих видов полностью секвенированы: [75]
Данные использовались для многих целей, включая сравнение эволюционных геномов. D. simulans и D. sechellia являются сестринскими видами и дают жизнеспособное потомство при скрещивании, в то время как D. melanogaster и D. simulans производят бесплодное гибридное потомство. Геном Drosophila часто сравнивают с геномами более отдаленных родственных видов, таких как медоносная пчела Apis mellifera или комар Anopheles gambiae .
Проект Drosophila modEncode провёл обширную работу по аннотированию геномов дрозофилы , транскриптов профилей, модификаций гистонов, факторов транскрипции, регуляторных сетей и других аспектов генетики дрозофилы , а также сделал прогнозы относительно экспрессии генов среди прочего. [76]
FlyBase служит централизованной базой данных тщательно отобранных геномных данных о дрозофиле. [77]
TheКонсорциум Drosophila 12 Genomes представил десять новых геномов и объединил их с ранее опубликованными геномами для D. melanogaster и D. pseudoobscura для анализа эволюционной истории и общей геномной структуры рода. Это включает в себя открытие мобильных элементов (TE) и освещение их эволюционной истории. [78] Бартоломе и др. 2009 обнаружили, что по крайней мере 1 ⁄ 3 TE у D. melanogaster , D. simulans и D. yakuba были приобретены путем горизонтального переноса . Они обнаружили среднюю скорость 0,035 событий горизонтального переноса на семью TE за миллион лет. Бартоломе также обнаружил, что горизонтальный перенос TE следует другим метрикам родства, при этом события переноса между D. melanogaster и D. simulans встречаются в два раза чаще, чем любой из них с D. yakuba . [78]