Дрозофила ( / d r ə ˈ s ɒ f ɪ l ə , d r ɒ- , d r oʊ -/ [1] [ 2] ) — род мух, принадлежащий к семейству Drosophilaidae , представителей которого часто называют «маленькими плодовые мухи» или (реже) [ нужна ссылка ] мушки- выжимки, уксусные мухи или винные мухи, что является отсылкой к свойству многих видов задерживаться вокруг перезрелых или гниющих фруктов. Их не следует путать с Tephritidae , родственным семейством, которого также называют дрозофилами (иногда называемыми «настоящими дрозофилами»); Тефритиды питаются в основном незрелыми или спелыми фруктами , при этом многие виды считаются разрушительными сельскохозяйственными вредителями, особенно средиземноморская плодовая муха .
В частности, один вид дрозофилы , D. melanogaster , широко использовался в исследованиях в области генетики и является распространенным модельным организмом в биологии развития . В современной биологической литературе термины «дрозофила» и « дрозофила » часто используются как синонимы D. melanogaster . Однако весь род насчитывает более 1500 видов [3] и весьма разнообразен по внешнему виду, поведению и ареалу гнездования.
Термин « дрозофила », означающий «любящий росу», представляет собой современную научную латинскую адаптацию греческих слов δρόσος , drósos , « роса », и φιλία , philia , «любовник».
Виды дрозофилы представляют собой небольшие мухи, обычно от бледно-желтого до красновато-коричневого или черного цвета, с красными глазами. Когда глаза (по сути, пленка из линз) удалены, обнажается мозг. Структура и функции мозга дрозофилы развиваются и значительно стареют от личиночной стадии до взрослой. Развивающиеся структуры мозга делают этих мух главным кандидатом для нейрогенетических исследований. [4] Многие виды, в том числе знаменитые гавайские картинные крылья, имеют отчетливые черные узоры на крыльях. Перистая (перистая) ариста , щетина на голове и груди, жилкование крыльев являются признаками, используемыми для диагностики семейства. Большинство из них маленькие, около 2–4 миллиметров (0,079–0,157 дюйма) в длину, но некоторые, особенно многие гавайские виды, крупнее комнатной мухи .
Экологическое воздействие природных токсинов помогло подготовить Drosophila e к детоксикации ДДТ , [5] : Реферат [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 тем или иным отбором, и подавляющее большинство этого происходит в некодирующей ДНК . [7]
Было достоверно высказано предположение, что эффективный размер популяции положительно коррелирует с размером эффекта как отрицательного, так и положительного отбора . Рекомбинация , вероятно, станет важным источником разнообразия . Имеются данные о том, что кроссовер положительно коррелирует с полиморфизмом в популяциях D .. [7]
Виды дрозофилы встречаются по всему миру, больше видов обитает в тропических регионах. Дрозофила добралась до Гавайских островов и распространилась 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 преимущественно встречается на больших высотах. [10] Большинство видов размножаются в различных видах разлагающегося растительного и грибкового материала, включая фрукты , кору , слизевые потоки , цветы и грибы . Виды дрозофилы , плодоносящие, привлекают различные продукты брожения, особенно этанол и метанол . Плоды, используемые видами дрозофилы , включают фрукты с высокой концентрацией пектина, что является показателем того, сколько алкоголя будет вырабатываться во время ферментации. 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] Некоторые виды стали паразитами или хищниками . Многих видов могут привлечь наживки из ферментированных бананов или грибов, но других не привлекают никакие виды наживок. Самцы могут собираться на участках подходящего субстрата для размножения, чтобы конкурировать за самок, или образовывать токи , проводя ухаживание на территории, отдельной от мест размножения. [ нужна цитата ]
Несколько видов дрозофил , в том числе Drosophila melanogaster , D. immigrans и D. simulans , тесно связаны с человеком 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, такой как транспортировка 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 представители рода Drosophila также производят относительно мало гигантских сперматозоидов, причем сперматозоиды D. bifurca являются самыми длинными. [17] Сперматозоиды D. melanogaster имеют более скромную длину — 1,8 мм, хотя это все равно примерно в 35 раз длиннее, чем человеческая сперма. Известно, что несколько видов группы D. melanogaster спариваются путем травматического оплодотворения . [18]
Виды дрозофил сильно различаются по своей репродуктивной способности. Такие особи, как D. melanogaster , которые размножаются в больших, относительно редких ресурсах, имеют яичники , в которых созревают 10–20 яиц одновременно, так что их можно откладывать вместе на одном участке. 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 возле переднего конца; их кончики возвышаются над поверхностью и позволяют кислороду достигать эмбриона. Личинки питаются не самой растительной пищей, а дрожжами и микроорганизмами , присутствующими в 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 мухи откладывают яйца в ответ на циклы окружающей среды. 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 приведет к тому, что D. melanogaster адаптируется к циклам окружающей среды, поскольку такое поведение имеет большое репродуктивное преимущество. [19]
Их средняя продолжительность жизни составляет 35–45 дней. [20]
Следующий раздел основан на следующих видах дрозофил : Drosophila simulans и Drosophila melanogaster .
Брачное поведение самцов дрозофилы привлекательно. [21] Женщины реагируют через свое восприятие поведения мужчины. [22] Самцы и самки дрозофилы используют различные сенсорные сигналы, чтобы инициировать и оценить готовность потенциального партнера к ухаживанию. [21] [22] [23] Сигналы включают в себя следующее поведение: позиционирование, выделение феромонов, следование за самкой, постукивание ногами, пение, раскрытие крыльев, создание вибрации крыльев, облизывание гениталий, сгибание живота, попытка совокупления, и сам совокупительный акт. [24] [21] [22] [23] Песни Drosophila melanogaster и Drosophila simulans широко изучены. Эти манящие песни имеют синусоидальную природу и различаются внутри и между видами. [23]
Поведение ухаживания Drosophila melanogaster также оценивалось на предмет генов, связанных с полом, которые участвуют в ухаживании как у самцов, так и у самок. [21] Недавние эксперименты исследуют роль бесплодия ( fru ) и двойного секса ( dsx ), группы генов, связанных с половым поведением. [25] [21]
Бесплодный ген ( fru ) у дрозофилы помогает регулировать сеть ухаживания самцов; когда происходит мутация этого гена, наблюдается изменение однополого сексуального поведения у мужчин. [26] Самцы дрозофилы с мутацией fru направляют ухаживание на других самцов, в отличие от типичного ухаживания, которое было бы направлено на самок. [27] Потеря мутации fru возвращает к типичному поведению во время ухаживания. [27]
Было обнаружено, что новый класс феромонов сохраняется во всем подроде Drosophila у 11 видов, обитающих в пустынях. [28] Эти феромоны представляют собой триацилглицериды, которые выделяются исключительно самцами из эякуляторной луковицы и передаются самкам во время спаривания. Функция феромонов — сделать самок непривлекательными для последующих женихов и, таким образом, препятствовать ухаживанию со стороны других самцов.
Следующий раздел основан на следующих видах дрозофил : Drosophila serrata , Drosophila pseudoobscura , Drosophila melanogaster и Drosophila neotestacea . Полиандрия — распространенная система спаривания среди дрозофил . [29] [30] [31] [32] Спаривание самок с несколькими половыми партнерами было полезной стратегией спаривания для дрозофилы . [29] [30] [31] [32] Преимущества включают как до, так и после совокупительного спаривания. Прекопулятивные стратегии - это поведение, связанное с выбором партнера и генетическим вкладом, таким как производство гамет, которые демонстрируют как самцы, так и самки дрозофилы в отношении выбора партнера. [29] [30] Пост-копулятивные стратегии включают конкуренцию сперматозоидов, частоту спаривания и мейотическое влечение к соотношению полов. [29] [30] [31] [32]
Эти списки не являются всеобъемлющими. Полиандрия среди Drosophila pseudoobscura в Северной Америке различается по количеству партнеров для спаривания. [31] Существует связь между количеством случаев, когда самки выбирают спаривание, и хромосомными вариантами третьей хромосомы. [31] Считается, что наличие инвертированного полиморфизма является причиной повторного спаривания самок. [31] Стабильность этих полиморфизмов может быть связана с мейотическим стремлением к соотношению полов. [32]
Однако для Drosophila subobscura основной системой спаривания является монандрия, обычно не наблюдаемая у дрозофилы. [33]
Следующий раздел основан на следующих видах дрозофил : Drosophila melanogaster , Drosophila simulans и Drosophila mauritiana . Конкуренция сперматозоидов — это процесс, который полиандрические самки дрозофилы используют для повышения приспособленности своего потомства. [34] [35] [36] [37] [38] У самки дрозофилы есть два органа хранения спермы: сперматека и семеприемник, что позволяет ей выбирать сперму, которая будет использоваться для оплодотворения ее яйцеклеток. [38] Однако некоторые виды дрозофилы научились использовать только один или другой вид. [39] Женщины мало что могут контролировать, когда дело доходит до загадочного женского выбора . [37] [35] Самки дрозофилы посредством загадочного выбора, одного из нескольких посткопулятивных механизмов, который позволяет обнаруживать и изгонять сперматозоиды, что снижает возможности инбридинга. [36] [35] Манье и др. В 2013 году посткопулятивный половой отбор Drosophila melanogaster , Drosophila simulans и Drosophila mauritiana был разделен на следующие три этапа: осеменение, хранение спермы и оплодотворяемая сперма. [37] Среди предыдущих видов на каждой стадии существуют вариации, которые играют роль в процессе естественного отбора. [37] Было обнаружено, что эта конкуренция сперматозоидов является движущей силой установления репродуктивной изоляции во время видообразования. [40] [41]
Партеногенез не происходит у D. melanogaster , но у мутанта gyn-f9 гиногенез происходит с низкой частотой. Естественные популяции D. mangebeirai полностью состоят из самок, что делает его единственным облигатным партеногенетическим видом дрозофилы. Партеногенез факультативен у parthenogenetica и mercatorum . [42] [43]
D. melanogaster — популярное экспериментальное животное, поскольку его легко массово культивировать в дикой природе, у него короткий период генерации и легко доступны мутантные животные. В 1906 году Томас Хант Морган начал свою работу над D. melanogaster и сообщилакадемическому сообществу о своей первой находке белоглазого мутанта в 1910 году. Он искал модельный организм для изучения генетической наследственности и нуждался в виде, который мог бы случайным образом приобретать генетическую мутацию, которая явно проявлялась бы в виде морфологических изменений у взрослого животного. Его работа над дрозофилой принесла ему Нобелевскую премию по медицине 1933 года за определение хромосом как вектора наследования генов. Этот и другие виды дрозофил широко используются в исследованиях генетики , эмбриогенеза , хронобиологии , видообразования , нейробиологии и других областях. [ нужна цитата ]
Однако некоторые виды дрозофил трудно культивировать в лаборатории, часто потому, что в дикой природе они размножаются на одном конкретном хозяине. Для некоторых это можно сделать с помощью определенных рецептов среды для выращивания или путем введения химических веществ, таких как стерины , которые содержатся в естественном хозяине; для других это (пока) невозможно. В некоторых случаях личинки могут развиваться на обычной лабораторной среде для дрозофил , но самка не откладывает яйца; для них часто просто нужно положить небольшой кусочек естественного хозяина, чтобы получить яйца. [44]
В Центре запасов видов дрозофил, расположенном в Корнельском университете в Итаке , штат Нью-Йорк, хранятся культуры сотен видов для исследователей. [45]
Дрозофила считается одним из наиболее ценных генетических модельных организмов; и взрослые особи, и эмбрионы являются экспериментальными моделями. [46] Дрозофила является главным кандидатом для генетических исследований, поскольку связь между генами человека и плодовой мухи очень близка. [47] Гены человека и плодовой мухи настолько похожи, что гены, вызывающие заболевания у человека, могут быть связаны с генами у мух. У мухи около 15 500 генов в четырех хромосомах, тогда как у человека около 22 000 генов в 23 хромосомах. Таким образом, плотность генов на хромосому у дрозофилы выше, чем в геноме человека. [48] Низкое и управляемое количество хромосом облегчает изучение видов дрозофил . Эти мухи также несут генетическую информацию и передают свои особенности из поколения в поколение, как и их человеческие собратья. [ необходимы разъяснения ] Затем эти признаки можно изучить на примере различных линий дрозофилы , а полученные результаты можно применить для выявления генетических тенденций у людей. Исследования, проведенные на дрозофиле , помогают определить основные правила передачи генов у многих организмов. [49] [4] Дрозофила является полезным инструментом in vivo для анализа болезни Альцгеймера. [50] Ромбовидные протеазы были впервые обнаружены у дрозофилы , но затем выяснилось, что они высококонсервативны у эукариот , митохондрий и бактерий . [51] [52] Способность меланина защищать ДНК от ионизирующего излучения наиболее широко была продемонстрирована у дрозофилы , в том числе в формативном исследовании Hopwood et al 1985. [53]
Как и другие животные, дрозофила связана с различными бактериями в кишечнике. Микробиота или микробиом кишечника мух, по-видимому, оказывает центральное влияние на приспособленность и особенности жизненного цикла дрозофилы . Микробиота кишечника дрозофилы представляет собой активное поле исследований.
Виды дрозофилы также являются носителями вертикально передающихся эндосимбионтов, таких как Wolbachia и Spiroplasma . Эти эндосимбионты могут действовать как репродуктивные манипуляторы, например, цитоплазматическая несовместимость , индуцированная Wolbachia , или убийство самцов, индуцированное D. melanogaster Spiroplasma poulsonii (названное MSRO). Фактор убийства самцов штамма D. melanogaster MSRO был обнаружен в 2018 году, что позволило раскрыть многолетнюю загадку причины убийства самцов. Это представляет собой первый бактериальный фактор, который влияет на эукариотические клетки в зависимости от пола, и является первым механизмом, идентифицированным для фенотипов, убивающих самцов. [54] Альтернативно, они могут защитить своих хозяев от инфекции. Дрозофила Wolbachia может снижать вирусную нагрузку при заражении и исследуется как механизм борьбы с вирусными заболеваниями ( например, лихорадкой Денге) путем передачи этих Wolbachia комарам-переносчикам болезней. [55] Штамм S. poulsonii Drosophila neotestacea защищает своего хозяина от паразитических ос и нематод, используя токсины, которые преимущественно атакуют паразитов, а не хозяина. [56] [57] [58]
Поскольку вид Drosophila является одним из наиболее часто используемых модельных организмов, он широко использовался в генетике. Однако в последнее время большой интерес вызывает влияние абиотических факторов , [59] таких как температура, на микробиом видов дрозофил. Определенные колебания температуры оказывают влияние на микробиом. Было замечено, что более высокие температуры (31 °C) приводят к увеличению популяций Acetobacter в микробиоме кишечника Drosophila melanogaster по сравнению с более низкими температурами (13 °C). При низких температурах (13 °C) мухи были более холодоустойчивы, а также имели самую высокую концентрацию вольбахии. [60]
Микробиом кишечника также можно трансплантировать между организмами. Было обнаружено, что Drosophila melanogaster становилась более холодоустойчивой при использовании микробиоты кишечника Drosophila melanogaster , выращиваемой при низких температурах. Это показало, что микробиом кишечника коррелирует с физиологическими процессами. [61]
Более того, микробиом играет роль в агрессии, иммунитете, предпочтениях в яйцекладке, передвижении и обмене веществ . Что касается агрессии, то она в определенной степени играет роль во время ухаживания. Было замечено, что незараженные мухи не были столь конкурентоспособны по сравнению с самцами дикого типа. Также известно , что микробиом видов Drosophila способствует агрессии посредством передачи сигналов октопамина ОА. Было показано, что микробиом влияет на социальные взаимодействия этих плодовых мух, особенно на агрессивное поведение, которое наблюдается во время ухаживания и спаривания . [62]
Виды дрозофилы являются добычей многих хищников широкого профиля, таких как мухи-грабители . На Гавайях интродукция желтых курток с материковой части Соединенных Штатов привела к сокращению численности многих крупных видов. На личинок охотятся другие личинки мух, жуки -стафилиниды и муравьи . [ нужна цитата ]
Как и многие эукариоты, этот род, как известно, экспрессирует SNARE , и, как и некоторые другие, компоненты комплекса SNARE, как известно, в некоторой степени взаимозаменяемы: хотя потеря SNAP-25 — компонента нейрональных SNARE — смертельна, SNAP-25 — компонент нейрональных SNARE. 24 может полностью заменить его. Другой пример: R-SNARE, обычно не встречающийся в синапсах , может заменить синаптобревин . [63]
Белок Spätzle является лигандом Toll . _ [64] [65] В дополнение к более широко известной роли меланина в эндоскелете и нейрохимии , меланизация является одним из этапов иммунного ответа на некоторые патогены. [64] [65] Dudzic et al 2019 дополнительно обнаружили большое количество общих мессенджеров сериновых протеаз между Шпетцле / Толлом и меланизацией, а также большое количество перекрестных помех между этими путями. [64] [65]
Род Drosophila в его нынешнем определении является парафилетическим (см. ниже) и содержит 1450 описанных видов, [3] [66] , тогда как общее количество видов оценивается в тысячи . [67] Большинство видов относятся к двум подродам: Drosophila (около 1100 видов) и Sophophora (включая D. (S.) melanogaster ; около 330 видов).
Гавайские виды дрозофилы (их насчитывается более 500, при этом описано около 380 видов) иногда выделяются в отдельный род или подрод Idiomyia , [3] [68] , но это не получило широкого признания. Около 250 видов входят в род Scaptomyza , который произошел от гавайской дрозофилы и позднее повторно заселил континентальные территории.
Данные филогенетических исследований позволяют предположить, что эти роды произошли из рода Drosophila : [69] [70]
Некоторые из подродовых и родовых названий основаны на анаграммах дрозофилы , включая Dorsilopha , Lordiphosa , Siphlodora , Phloridosa и Psilodorha .
Виды дрозофилы широко используются в качестве модельных организмов в генетике (включая популяционную генетику), клеточной биологии, биохимии и особенно биологии развития. Поэтому прилагаются обширные усилия по секвенированию геномов дрофилид. Геномы этих видов полностью секвенированы: [71]
Эти данные использовались для многих целей, включая сравнение эволюционных геномов. D. simulans и D. sechellia являются сестринскими видами и при скрещивании дают жизнеспособное потомство, тогда как D. melanogaster и D. simulans дают бесплодное гибридное потомство. Геном дрозофилы часто сравнивают с геномами более отдаленных видов, таких как медоносная пчела Apis mellifera или комар Anopheles gambiae .
Консорциум modEncode в настоящее время секвенирует еще восемь геномов дрозофилы [72] , а консорциум i5K секвенирует еще больше геномов. [73]
Отобранные данные доступны на сайте FlyBase .
The Консорциум 12 геномов дрозофилы - возглавляют Эндрю Дж. Кларк , Майкл Эйзен , Дуглас Смит, Кейси Бергман, Брайан Оливер,Тереза Энн Маркоу , Томас Кауфман , Манолис Келлис , Уильям Гелбарт , Венки Айер, Дэниел Поллард, Тимоти Сэктон, Аманда Ларракуэнте, Надя Сингх, в том числе Войцех Макаловский, Мохамед Нур , Темпл Ф. Смит , Крейг Вентер , Питер Кейтли и Леонид Богуславский среди своих авторов, представляет десять новых геномов и объединяет их с ранее опубликованными геномами D. melanogaster и D. pseudoobscura для анализа эволюционная история и общая геномная структура рода. Это включает в себя открытие мобильных элементов и освещение их эволюционной истории. [74] 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 находят в среднем 0,035 HT TE ⁄ семейства TE ⁄ миллиона лет . Бартоломе также обнаружил, что HT TE соответствуют другим показателям родства: события D. melanogaster ⇔ D. simulans встречаются в два раза чаще, чем события любого из них ⇔ D. yakuba . [74]