Александр Марков - Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий
Интересный пример усиления расшифровали американские ботаники, изучавшие два вида американских флоксов — Phlox drummondii и P. cuspidata. Там, где встречается только какой-то один из двух видов, цветы у них одинакового бледноголубого цвета. Такая окраска является исходной (предковой) для флоксов. Однако в зоне совместного проживания — в восточном Техасе, где ареалы двух видов пересекаются, — среди представителей P. drummondii преобладают растения с яркокрасными цветами. Межвидовая гибридизация у этих видов технически возможна и действительно происходит в природе. Гибриды, однако, отличаются пониженной приспособленностью: их плодовитость на 90 % ниже, чем у «чистых» представителей обоих видов. Следовательно, флоксам крайне невыгодно скрещиваться с чужаками. Поэтому логично предположить, что изменение окраски цветов у P. drummondii с бледно-голубой на ярко-красную — это адаптация для предотвращения межвидовой гибридизации. Остается лишь доказать, что это действительно так, и понять, как окраска цветов препятствует межвидовым скрещиваниям.
Обе задачи удалось решить Робину Хопкинсу и Марку Раушеру из Университета Дьюка (США) (Hopkins, Rausher, 2012). Различия по окраске у флоксов определяются двумя генами, каждый из которых существует в виде двух аллельных вариантов. Первый ген (F3’5’h) кодирует фермент (флавоноид-3’5’ — гидроксилазу), участвующий в синтезе пигментов антоцианов. Предковый аллель этого гена (H) обеспечивает синюю или голубую окраску цветов. Производный аллель (h) возник в результате мутации в регуляторной области гена, которая привела к снижению его экспрессии, что, в свою очередь, изменило оттенок лепестков с голубого или синего на розовый или красный. Аллель H является доминантным по отношению к h, т. е. растения с генотипами HH и Hh имеют синие или голубые цветы, растения с генотипом hh — красные или розовые. Этот ген можно назвать «геном оттенка».
Второй ген (R2R3-Myb) можно назвать геном интенсивности окраски. Он кодирует транскрипционный фактор, от которого зависит количество производимых пигментов и, соответственно, интенсивность окраски цветов. Исходный аллель i обеспечивает бледную окраску (голубую или розовую), производный аллель I придает цветам ярко-синий или яркокрасный цвет. Аллель I доминантен по отношению к i.
В зоне раздельного проживания все растения P. drummondii имеют генотип iiHH и, соответственно, бледно-голубые цветы. В области совместного проживания подавляющее большинство растений этого вида имеют генотип IIhh и ярко-красные цветы. «Рекомбинантные» растения iihh с бледно-розовыми цветами и I-H- с ярко-синими встречаются только на границе этих двух частей ареала.
Чтобы проверить гипотезу о том, что ярко-красная окраска является адаптацией для предотвращения гибридизации, прежде всего нужно было убедиться, что эта окраска не дает флоксам каких-то иных преимуществ. Ведь могло оказаться и так, что природные условия восточного Техаса почему-то благоприятствуют красным цветам, а усиление тут ни при чем.
Авторы вывели четыре линии флоксов P. drummondii, гомозиготных по генам окраски (IIHH — синие, IIhh — красные, iiHH — голубые, iihh — розовые). Семена всех четырех типов затем высаживались в равной пропорции на огражденных участках на территории биостанции Техасского университета.
Оказалось, что при отсутствии риска межвидовой гибридизации ни выживаемость, ни плодовитость флоксов P. drummondii не зависят от окраски цветов. Все четыре генотипа имеют одинаковую приспособленность. Это весомый аргумент в пользу того, что ярко-красная окраска не является адаптацией к местным условиям среды.
Эксперименты по искусственному опылению показали, что защиты от межвидовой гибридизации на уровне взаимодействия пыльцы и пестика у флоксов нет: оплодотворение при внутри- и межвидовых скрещиваниях происходит одинаково успешно.
Теперь нужно было проверить, помогает ли ярко-красная окраска избежать межвидовой гибридизации. Для этого на каждом участке в случайном порядке сажали 105 саженцев голубых P. drummondii из зоны раздельного проживания — это контроль в данном эксперименте, и 115 флоксов другого вида — P. cuspidata, у которых цветы всегда голубые, и вместе с ними 30 саженцев одной из четырех гомозиготных линий P. drummondii. Когда растения вырастали и давали семена, ученые брали по 100–150 случайно выбранных семян от опытных и контрольных растений P. drummondii и при помощи генетического анализа устанавливали их «отцовство», подсчитывая в каждой выборке число гибридных семян (т. е. получившихся в результате межвидового скрещивания).
У контрольных голубых растений доля гибридных семян оказалась высокой: от 28 до 44 % на разных участках. Столь же высокий уровень межвидовой гибридизации был обнаружен у гомозиготных голубых и розовых P. drummondii. Однако у ярко-красных и ярко-синих флоксов доля гибридных семян оказалась вдвое ниже. Таким образом, яркость окраски (но не ее оттенок) действительно защищает флоксы от межвидовых скрещиваний. Поскольку гибридные растения имеют пониженную плодовитость, из этого следует, что там, где флоксы двух видов растут рядом друг с другом, действует сильный отбор, благоприятствующий аллелю яркой окраски I и отбраковывающий растения с аллелем бледной окраски i.
Но каким образом яркая окраска защищает от гибридизации? Ответить на этот вопрос помогли наблюдения за бабочками-опылителями. Главным опылителем обоих видов флоксов в симпатрической зоне является бабочка Battus philenor из семейства парусников (Papilionidae). Кроме того, в опылении участвуют различные виды бабочек-толстоголовок (семейство Hesperiidae). Как выяснилось, обе разновидности опылителей демонстрируют сходное поведение на участках, где разноцветные флоксы растут вперемешку. Бабочки не делают различий между голубыми и розовыми цветами. Например, насекомое, посетившее голубой цветок, в следующий раз с равной вероятностью сядет на голубой или розовый. К какому виду относится растение с голубыми цветами (к P. drummondii или P. cuspidata), бабочкам тоже все равно. Этот факт хорошо согласуется с тем, что уровень межвидовой гибридизации одинаково высок у голубых и розовых P. drummondii.
Совсем другая картина наблюдалась на участках, где наряду с голубыми цветами росли ярко-красные или ярко-синие. Здесь бабочки проявляли постоянство, совершая перелеты между цветами одинаковой яркости намного чаще, чем между яркими и бледными цветами. Так, бабочка, посетившая голубой цветок P. cuspidata, сядет после этого на голубой или розовый цветок P. drummondii с вдвое большей вероятностью, чем на ярко-синий или ярко-красный. В обратную сторону закономерность тоже работает: если бабочка села на яркий цветок, после этого она, скорее всего, посетит другой яркий цветок, синий или красный. Этот факт полностью объясняет вдвое меньшую частоту гибридизации у растений с яркими цветами: бледные цветы бывают и того и другого вида, а яркие — только у одного. Следовательно, яркая окраска не только помогает избежать попадания пыльцы P. cuspidata на пестики P. drummondii, но и препятствует растрачиванию пыльцы второго вида на опыление «чужаков».
Полученные результаты показывают, что яркая окраска цветов у P. drummondii в зоне совместного проживания с другим видом закрепилась под действием механизма усиления как адаптация для предотвращения гибридизации. Эффективность адаптации обусловлена поведением опылителей. Ранее уже было известно, что в пределах одного вида насекомых, питающихся нектаром, у разных особей могут быть разные предпочтения при выборе цветов. Эти различия могут быть отчасти врожденными, отчасти приобретенными, т. е. связанными с индивидуальными привычками. Насекомые ведь тоже способны к обучению, а перелетать с цветка, где был подходящий нектар, на другой такой же — поведение в высшей степени логичное и адаптивное.
Экспериментально показано, что видообразованию у цветковых растений могут способствовать изменения внешнего вида или аромата цветов, ведущие к смене насекомого-опылителя (см. ниже). Хопкинс и Раушер не только продемонстрировали механизм усиления в действии, но и показали, что изменение цветка может способствовать видообразованию, даже если насекомые-опылители остаются прежними.
В отличие от «гена яркости» роль «гена оттенка» осталась невыясненной. В настоящее время он, по-видимому, бесполезен для флоксов. Возможно, он был полезен в прошлом. Например, какой-то вид опылителей, ныне вымерший или ставший редким в этом районе, мог различать и запоминать оттенки и летать с красных цветов на красные или с синих на синие. Ведь насекомых так много и эволюционируют они быстро!
