Земская Н. В., Шапошников М. В., Москалев А. А. Роль географического происхождения в формировании устойчивости к стресс-факторам у 12 видов Drosophila // Принципы экологии. 2026. № 2. С. 26–45. DOI: 10.15393/j1.art.2026.17122

Выпуск № 2

Оригинальные исследования

pdf-версия статьи

575.852:595.773.4:574.3

Роль географического происхождения в формировании устойчивости к стресс-факторам у 12 видов Drosophila

Введение

Чтобы выжить в изменяющихся условиях окружающей среды, животные должны уметь реагировать на стрессовые воздействия. Стресс-фактор можно определить как любой фактор окружающей среды, который вызывает потенциально неблагоприятное изменение в организме или биологической системе (Lincoln et al., 1998; Rose et al., 1992). Экологические стрессоры, которые потенциально влияют на структуру и функции экосистем, в основном делятся на абиотические (температура, холод, ксенобиотики) и биотические (патогены, хищники, инвазивные виды). Абиотическое стрессовое состояние является результатом физического или химического воздействия, которому может подвергаться организм со стороны окружающей среды, тогда как биотический стресс является результатом биологического воздействия, которому организм может подвергаться в течение своей жизни (Gutha et al., 2018; Przeslawski et al., 2015).  

Изменчивость стресс-зависимых признаков у насекомых и других организмов широко изучается, поскольку она лежит в основе способности насекомых адаптироваться и противостоять последствиям изменяющихся климатических условий. Например, у дрозофилы высокая устойчивость к высыханию связана с адаптацией к засушливым местообитаниям, а высокая устойчивость к холоду – с адаптацией к высоким широтам (Hoffmann, Harshman, 1999). Особи многих видов часто переживают периоды голодания или воздействия неоптимального рациона, как следствие, положительный отбор на устойчивость к стрессу голодания ожидается в местностях, где пища, вероятно, менее обильна или не всегда доступна (Ballard et al., 2008).

В связи с этим цель данной работы состояла в изучении взаимосвязи между стрессоустойчивостью и экологической адаптацией у видов дрозофил, сформировавшихся в разных условиях обитания.

Материалы

Виды дрозофил

В экспериментах использовали особей 12 видов рода Drosophila: D. ananassae, D. austrosaltans, D. biarmipes, D. erecta, D. kikkawai, D. melanogaster, D. pseudoobscura, D. saltans, D. simulans, D. virilis, D. willistoni и D. yakuba. Линии были предоставлены В. Гладышевым из Гарвардской медицинской школы (Бостон, США).

Условия содержания дрозофил

Свежевылетевших имаго собирали с помощью CO₂ анестезии, сортировали по полу и рассаживали по 30 особей в пробирки «Drosophila vial» («Genesee Scientific», США), после чего мух помещали в контролируемые условия в климатическую камеру «Binder», KBF720-ICH («Binder», Германия) с температурой 25 °С, 12-часовым циклом освещения и 60 % влажностью в пробирках объемом 30 мл с 5 мл агарно-дрожжевой питательной средой: агар – 7 г/л, сахар – 30 г/л, манная крупа – 30 г/л, дрожжи – 8 г/л (Ashburner et al., 2005). В данных условиях мухи содержались до момента постановки экспериментов по изучению стрессоустойчивости.

Методы

Анализ стрессоустойчивости

Для оценки стрессоустойчивости особей разных видов дрозофил к действию неблагоприятных факторов (голодание, гипертермия, прооксидант паракват, гамма-излучение) брали мух в возрасте 5 суток по 120–150 особей на каждый вариант эксперимента. Самок и самцов анализировали раздельно. Мух содержали в контролируемых условиях с 12-часовым циклом освещения и 60 % влажностью. Подсчет числа умерших мух проводили один (после облучения) или два (после других воздействий) раза в сутки. Эксперименты проводили в двух биологических повторностях при облучении и в пяти биологических повторностях при воздействии других стресс-факторов. В работе представлены объединенные данные.

Для определения устойчивости к голоданию дрозофил рассаживали в пробирки с 2 % агаровой средой и помещали в термостат, где поддерживались стандартные условия и температура 25 °С. Для оценки устойчивости к повышенной температуре мух содержали на стандартной питательной среде в термостате при 35 °С. Для оценки устойчивости к действию прооксиданта параквата дрозофил рассаживали в пробирки с фильтровальной бумагой, пропитанной 300 мкл раствора параквата («Methyl Viologen», Sigma, США) в концентрации 20 ммоль/л в 5 % сахарозе и содержали в термостате при 25 °С. Под воздействием стресс-факторов мухи содержались до конца жизни.

Интенсивность стрессовых условий выбирали на основе способности вызывать гибель мух в течение нескольких суток. При сильном воздействии мухи умирают слишком быстро, что снижает точность определения смертности. Температура 35 °C представляет собой физиологически значимый, но не летальный порог, при котором запускаются все основные механизмы термотолерантности, тогда как температура 37 °C для дрозофил находится близко к летальному порогу (Hoffmann et al., 2003). Содержание мух при этой температуре позволяет оценить их способность к выживанию в условиях непрерывного теплового стресса. Кроме того, наши предыдущие исследования показали, что при 35 °C мухи могут выживать в течение нескольких суток (Belyi et al., 2020; Shaposhnikov et al., 2015), что соответствует требованиям в данном исследовании. Паракват является стандартным индуктором хронического окислительного стресса у дрозофил, он химически стабилен в водных растворах в течение длительного времени, эффективно проникает через кутикулу и стенку кишечника дрозофил (Rzezniczak et al., 2011), избирательно накапливается в митохондриях, где запускает мощный и постоянный цикл производства активных форм кислорода (АФК) (Fidan, 2026). Кроме того, концентрация 20 ммоль/л создает условия хронического окислительного стресса, при котором дрозофилы выживают в течение достаточного времени для фиксации выживаемости (Doran et al., 2017).

При оценке радиорезистентности опытных мух подвергали острому воздействию гамма-излучения в дозе 864 Гр. Для облучения использовали установку «Исследователь» с источником 137Cs. Мощность дозы составила 0.72 Гр/мин, длительность экспозиции – 20 ч. Особей контрольной группы содержали в таких же условиях, как и опытных, но не подвергали облучению. После окончания воздействия мух помещали в стандартные условия. Ежедневно проводили подсчет числа умерших мух. Два раза в неделю дрозофил переносили на свежую питательную среду без наркотизации.

Известно, что доза 1200 Гр для имаго D. melanogaster традиционно рассматривается как значение, близкое к ЛД₅₀ при остром облучении (Moskalev et al., 2015; Parashar et al., 2008). Однако целенаправленные данные о вариабельности этого показателя во всей группе из 12 исследуемых нами видов в литературе практически отсутствуют. Поэтому мы использовали высокую дозу, близкую к ЛД₅₀, но не смертельную – 864 Гр, которую применяют для изучения радиочувствительности дрозофил (Moskalev et al., 2015). Данная доза облучения для большинства исследованных видов, гарантирует тяжелый, но не абсолютно летальный радиационный стресс, обеспечивает достаточный динамический диапазон смертности, что позволяет выявить градиент радиочувствительности изучаемых видов. Использование же дозы 1200 Гр могло создать риск практически полной гибели радиочувствительных видов на ранних сроках.

Статистическая обработка данных

По полученным данным строили кривые выживаемости и рассчитывали медианную выживаемость, возраст 90 % смертности. Для оценки статистической значимости различий по стрессоустойчивости применяли непараметрические методы, т.к. эти показатели не подчиняются нормальному закону распределения (Гаврилов, Гаврилова, 1991). Для оценки различий по медианной выживаемости применяли критерий Гехана – Бреслоу – Вилкоксона (Breslow, 1970). Критерий Краскела – Уоллиса с последующим попарным сравнением по критерию Манна – Уитни использовался для сравнения медианного времени устойчивости видов к действию стресс-факторов. Для выделения однородных групп объектов была проведена иерархическая кластеризация в программе RStudio. Расчет межобъектных различий осуществляли на основе евклидова расстояния, объединение объектов в кластеры проводили методом Уорда (Ward’s method). Сравнение полученных кластеров по количественным признакам выполняли с помощью непараметрического критерия Краскела – Уоллиса. Статистически значимыми считали различия при уровне p < 0.05. Статистический анализ и графическое представление данных выполняли с помощью программ TIBCO Statistica 13.3 (TIBCO Software, США), Microsoft Excel («Microsoft», США).

Результаты

Анализ данных выживаемости с помощью непараметрического дисперсионного анализа Краскела – Уоллиса показал, что изученные нами виды дрозофил отличаются по устойчивости к разным стресс-факторам (p < 0.0001). Апостериорное попарное сравнение показало, что наиболее устойчивы к голоданию были особи видов D. virilis и D. saltans, а наиболее чувствительными к данному виду стресса оказались особи D. erecta, D. biarmipes и D. kikkawai (рис. 1). При окислительном стрессе наибольшей устойчивостью обладали особи D. virilis и D. saltans, а наименьшей – D. melanogaster, D. yakuba и D. kikkawai (рис. 2). Наибольшую устойчивость к гипертермии имели особи D. virilis и D. melanogaster, а наименьшую – D. kikkawai, D. pseudoobscura и D. erecta (рис. 3). Наиболее устойчивыми к трем из четырех изученных стресс-факторов (голоданию, гипертермии и окислительному стрессу) были долгоживущие особи D. virilis и D. saltans, а наименее устойчивыми – D. kikkawai, характеризующиеся низкой продолжительностью жизни. В то же время долгоживущие особи D. virilis оказались наиболее чувствительными к облучению, а самыми устойчивыми к данному виду воздействия были особи D. saltans и D. simulans (рис. 4).

 

 

Рис. 1. Влияние голодания на выживаемость самцов (А, В) и самок (Б, Г) разных видов рода Drosophila. (А, Б) – кривые выживаемости (Kaplan – Meier); (В, Г) – диаграммы размаха, отображающие медиану, интерквартильный размах и крайние значения. Сравнение диаграмм размаха проводили с использованием критерия Краскела – Уоллиса с последующими апостериорными попарными сравнениями по Манну – Уитни. Представлены объединенные данные пяти биологических повторностей

Fig. 1. Effect of starvation on the survival of males (A, В) and females (Б, Г) of different Drosophila species. (A, Б) – survival curves (Kaplan – Meier); (В, Г) – boxplots showing the median, interquartile range, and extreme values. Comparison of box plots was performed using the Kruskal – Wallis test, followed by post hoc pairwise comparisons using the Mann – Whitney U test. Pooled data from five biological replicates are presented

 

Рис. 2. Влияние прооксиданта параквата на выживаемость самцов (А, В) и самок (Б, Г) разных видов рода Drosophila. (А, Б) – кривые выживаемости (Kaplan – Meier); (В, Г) – диаграммы размаха, отображающие медиану, интерквартильный размах и крайние значения. Сравнение диаграмм размаха проводили с использованием критерия Краскела – с последующими апостериорными попарными сравнениями по Манну – Уитни. Представлены объединенные данные пяти биологических повторностей

Fig. 2. Effect of the prooxidant paraquat on the survival of males (A, В) and females (Б, Г) of different species of the genus Drosophila. (A, Б) – survival curves (Kaplan – Meier); (В, Г) – box plots showing the median, interquartile range, and extreme values. Comparison of box plots was performed using the Kruskal – Wallis test, followed by post hoc pairwise comparisons using the Mann – Whitney U test. Pooled data from five biological replicates are presented

 

Рис. 3. Влияние гипертермии на выживаемость самцов (А, В) и самок (Б, Г) разных видов рода Drosophila. (А, Б) – кривые выживаемости (Kaplan – Meier); (В, Г) – диаграммы размаха, отображающие медиану, интерквартильный размах и крайние значения. Сравнение диаграмм размаха проводили с использованием критерия Краскела – Уоллиса с последующими апостериорными попарными сравнениями по Манну – Уитни. Представлены объединенные данные пяти биологических повторностей

Fig. 3. Effect of hyperthermia on the survival of males (A, В) and females (Б, Г) of different species of the genus Drosophila. (A, Б) – survival curves (Kaplan – Meier); (В, Г) – box plots showing the median, interquartile range, and extreme values. Comparison of box plots was performed using the Kruskal – Wallis test, followed by post hoc pairwise comparisons using the Mann – Whitney U test. Pooled data from five biological replicates are presented

 

Рис. 4. Влияние ℽ-излучения (864 Гр) на выживаемость самцов (А, В, Д) и самок (Б, Г, Е) разных видов рода Drosophila. (А, Б) – кривые выживаемости (Kaplan – Meier); (В, Г) – относительная выживаемость после облучения; (Д, Е) – диаграммы размаха, отображающие медиану, интерквартильный размах и крайние значения. Представлены объединенные данные двух биологических повторностей. Планки погрешностей – ошибка медианы. *** р < 0.0001 – по критерию Гехана – Бреслоу – Вилкоксона

Fig. 4. Effect of ℽ-irradiation (864 Gy) on the survival of males (A, В, Д) and females (Б, Г, E) of different species of the genus Drosophila. (A, Б) – survival curves (Kaplan – Meier); (В, Г) – relative survival after irradiation; (Д, E) – box plots showing the median, interquartile range, and extreme values. Pooled data from two biological replicates are presented. Error bars – error of the median. *** p < 0.0001 – according to the Gehan – Breslow – Wilcoxon test

 

Иерархическая кластеризация (метод Уорда, евклидово расстояние) по четырем стандартизованным показателям стрессоустойчивости, усредненным для каждого вида по полу, выявила три группы видов (табл. 1, рис. 5А). Кластер 1 объединил восемь видов (D. ananassae, D. austrosaltans, D. erecta, D. kikkawai, D. pseudoobscura, D. saltans, D. willistoni, D. yakuba), кластер 2 – три вида (D. biarmipes, D. melanogaster, D. simulans), а кластер 3 состоял из единственного вида D. virilis. Средняя ширина силуэта составила 0.27, что указывает на наличие структуры с умеренным перекрытием групп. Индекс Калински – Харабаса (20.9) и высокая копенетическая корреляция (r ≈ 0.93–0.95) подтверждают, что дендрограмма адекватно отражает матрицу попарных сходств. Тепловая карта стандартизированных значений (рис. 5Б) наглядно демонстрирует, что дрозофилы из кластера 3 характеризуются наиболее высокими показателями устойчивости к голоданию, действию прооксиданта параквата и гипертермии и одновременно минимальной устойчивостью к облучению.

 

Таблица 1. Сравнительный анализ выживаемости двенадцати видов Drosophila в условиях четырех типов стрессорного воздействия

Голодание			Паракват			Гипертермия			Облучение
Самцы
	50%, ч	90%, ч		50%, ч	90%, ч		50%, ч	90%, ч		50%, %	90%, %
D. virilis	139	185	D. virilis	96	164	D. virilis	163	228	D. simulans	64	58
D. saltans	72	96	D. saltans	65	89	D. melanogaster	89	96	D. biarmipes	55	51
D. ananassae	65	89	D. ananassae	48	65	D. saltans	72	96	D. kikkawai	52	64
D. austrosaltans	65	72	D. simulans	41	89	D. biarmipes	65	89	D. austrosaltans	50	36
D. melanogaster	65	72	D. willistoni	41	89	D. ananassae	48	72	D. melanogaster	48	48
D. willistoni	65	65	D. austrosaltans	41	65	D. simulans	48	72	D. ananassae	45	38
D. simulans	48	72	D. biarmipes	41	65	D. austrosaltans	41	89	D. erecta	43	38
D. yakuba	41	89	D. erecta	41	65	D. yakuba	41	65	D. willistoni	43	37
D. erecta	41	48	D. pseudoobscura	41	48	D. willistoni	41	48	D. yakuba	40	36
D. kikkawai	41	48	D. kikkawai	24	48	D. erecta	41	41	D. pseudoobscura	38	45
D. pseudoobscura	41	65	D. melanogaster	17	24	D. kikkawai	17	41	D. saltans	36	37
D. biarmipes	24	48	D. yakuba	17	24	D. pseudoobscura	17	41	D. virilis	5	7
Самки
Голодание			Паракват			Гипертермия			Облучение
	50%, ч	90%, ч		50%, ч	90%, ч		50%, ч	90%, ч		50%, %	90%, %
D. virilis	163	207	D. virilis	140	188	D. virilis	180	228	D. simulans	91	76
D. ananassae	89	113	D. ananassae	65	89	D. melanogaster	113	139	D. melanogaster	83	68
D. austrosaltans	89	96	D. saltans	65	89	D. saltans	72	96	D. biarmipes	79	72
D. saltans	89	96	D. simulans	48	96	D. biarmipes	65	89	D. austrosaltans	68	60
D. yakuba	72	113	D. austrosaltans	48	72	D. ananassae	65	72	D. yakuba	68	55
D. erecta	72	89	D. biarmipes	41	89	D. austrosaltans	65	72	D. willistoni	67	63
D. melanogaster	65	113	D. kikkawai	41	89	D. simulans	48	89	D. kikkawai	65	64
D. simulans	65	113	D. willistoni	41	89	D. willistoni	48	65	D. saltans	55	67
D. willistoni	65	113	D. yakuba	41	89	D. yakuba	41	65	D. ananassae	54	59
D. kikkawai	48	72	D. erecta	41	72	D. erecta	41	48	D. pseudoobscura	46	58
D. pseudoobscura	48	65	D. pseudoobscura	41	48	D. kikkawai	17	41	D. erecta	43	46
D. biarmipes	41	48	D. melanogaster	17	24	D. pseudoobscura	17	41	D. virilis	4	6

Примечание. 50 %, ч 90 %, ч – время гибели 50 % выборки и время гибели 90 % выборки соответственно. 50 %, % 90 %, % – относительная выживаемость (процент от контроля) для облученных особей, рассчитанная по медианному (50 %) и максимальному (90 %) времени выживаемости. Относительная выживаемость (%) = (количество выживших в опыте / количество выживших в контроле) × 100 %.

 

 

Рис. 5. Кластерный анализ стрессоустойчивости видов. А – дендрограмма, Б – тепловая карта, В – PCA биплот

Fig. 5. Cluster analysis of stress resistance of species. A – dendrogram, B – heat map, C – PCA biplot

 

Межкластерные различия по каждому показателю оценивали с помощью критерия Краскела – Уоллиса. Статистически значимые различия обнаружены только для устойчивости к облучению: χ² = 7.62, df = 2, p = 0.022, размер эффекта ε² = 0.62 (сильный эффект). Для гипертермии наблюдалась тенденция (χ² = 4.81, p = 0.090, ε² = 0.31), тогда как по голоданию и окислительному стрессу кластеры достоверно не различались (p = 0.22 и p = 0.25 соответственно). Апостериорный тест Данна с поправкой Бонферрони выявил значимое различие по облучению только между кластерами 2 и 3 (Z = 2.40, скорректированное p = 0.049); различие между кластерами 1 и 2 было близко к порогу значимости (Z = -2.25, скорректированное p = 0.073, нескорректированное p = 0.024), однако после консервативной поправки не достигло уровня α = 0.05.

Анализ главных компонент по четырем стандартизованным средним по полу подтвердил структурированность данных (рис. 5В) и показывает, что главный вектор межвидовых различий связан с балансом между устойчивостью к окислительным / метаболическим стрессам и устойчивостью к ионизирующему излучению. Первая главная компонента (PC1) объяснила 81 % общей дисперсии и представляла собой контраст между устойчивостью к голоданию, параквату и гипертермии (отрицательные нагрузки) и устойчивостью к облучению (положительная нагрузка). Вторая компонента (PC2) добавила 13 % дисперсии и определялась главным образом устойчивостью к гипертермии и облучению (обе с отрицательными нагрузками). В совокупности первые две компоненты описали 94 % изменчивости, что позволяет уверенно интерпретировать двумерный биплот. Виды трех кластеров хорошо разделились вдоль PC1: D. virilis занял крайнее левое положение, соответствующее высоким значениям метаболических стрессоров и низкой радиорезистентности; кластер 1 расположился в центральной области, а кластер 2 сместился правее. Доверительные эллипсы (68  %) для кластеров 1 и 3 не перекрывались, кластер 2 занимал промежуточное положение, частично пересекаясь с кластером 1 (рис. 5В).

Среди трех выделенных кластеров наиболее сбалансированным профилем стрессоустойчивости обладал кластер 1, включающий восемь видов (D. ananassae, D. austrosaltans, D. erecta, D. kikkawai, D. pseudoobscura, D. saltans, D. willistoni, D. yakuba). На PCA-биплоте он занимал центральное положение, а на тепловой карте характеризовался умеренными стандартизированными значениями всех четырех показателей (рис. 5В, Б). Для них характерны умеренные значения выживаемости при голодании и гипертермии, при этом отчетливо проявляется половой диморфизм в устойчивости: самки, как правило, превосходят самцов по времени выживаемости во всех стрессовых тестах. Основной отличительной  чертой группы является высокий уровень радиоустойчивости. Все это позволяет охарактеризовать кластер 1 как группу с генерализованной, сбалансированной устойчивостью к широкому спектру стрессоров с акцентом на резистентность к генотоксическим повреждениям. В отличие от него кластер 3 (D. virilis) демонстрировал ярко выраженный trade-off: максимальные значения выживаемости в условиях голодания, воздействия параквата и гипертермии сочетались с высокой радиочувствительностью (выживаемость после воздействия ниже 7 % для обоих полов, табл. 1). Это выделяет D. virilis в обособленную группу, специализированную к метаболическим и тепловому стрессам, но крайне чувствительную к генотоксическому воздействию. Кластер 2, включающий такие виды, как D. biarmipes, D. melanogaster, D. simulans, был смещен в сторону пониженной толерантности к голоданию и параквату, занимая по этим показателям промежуточное положение между двумя другими кластерами. Таким образом, кластер 1 можно рассматривать как группу видов с «генерализованной» умеренной стресс-реакцией, тогда как два других кластера проявляют поляризованные адаптивные стратегии.

Таким образом, распределение видов демонстрирует отсутствие единой универсальной стратегии стресс-устойчивости: высокая толерантность к одним факторам может сочетаться с уязвимостью к другим, а различия в устойчивости между видами часто превышают половые различия внутри одного вида.

Обсуждение

В настоящем исследовании мы изучили различия в стрессоустойчивости особей 12 видов рода Drosophila (D. ananassae, D. austrosaltans, D. biarmipes, D. erecta, D. kikkawai, D. melanogaster, D. pseudoobscura, D. saltans, D. simulans, D. virilis, D. willistoni и D. yakuba), которые эволюционно сформировались в разных условиях обитания. Проведенный анализ выживаемости позволил распределить эти 12 видов по трем кластерам, различающимся по уровню и профилю устойчивости к исследованным факторам. Выявленная кластеризация служит основой для обсуждения возможных эколого-географических факторов, обусловливающих эти различия.

Как было показано ранее, устойчивость Drosophila к множественным неблагоприятным факторам среды (мультиплексная стрессоустойчивость) демонстрирует выраженную широтную изменчивость (Sisodia, Singh, 2010). Ярким примером служат северные популяции D. melanogaster, проявляющие повышенную резистентность к голоданию, холоду и жаре. Формирование этих признаков связано с обитанием в высоких широтах, для которых характерны экстремальные сезонные и суточные перепады температур, а также сильные годовые колебания фотопериода, контрастирующие со стабильными условиями субтропиков (Overgaard et al., 2011; Tyukmaeva et al., 2015).

Данная закономерность прослеживается и на межвидовом уровне. Распределение видов Drosophila по климатическим зонам отражает экологическое разграничение, ключевыми критериями которого служат термоустойчивость, устойчивость к высыханию и фотопериодические адаптации (табл. 2).

 

Таблица 2. Распространение изучаемых видов дрозофил по климатическим поясам

Климатический пояс	Вид	Ссылки
Тропический экваториальный (0–10° с.ш./ю.ш., большое количество осадков)	D. ananassae, D. erecta, D. yakuba, D. willistoni	(Coutinho-Silva et al., 2017; Das et al., 2004; Linz et al., 2013; Llopart et al., 2005)
Тропический и субтропический (переходный) (10–30° с.ш./ю.ш., переменное количество осадков)	D. ananassae, D. kikkawai, D. simulans,               D. melanogaster	(Chahal et al., 2013; Lachaise, Silvain, 2004)
Субтропический и умеренный (переходный) (30–45° с.ш./ю.ш., умеренное количество осадков)	D. melanogaster, D. simulans,                               D. pseudoobscura	(Grimaldi, 2024; Lachaise, Silvain, 2004)
Умеренный (45–55° с.ш., выраженная сезонность)	D. virilis, D. melanogaster (introduced),                 D. pseudoobscura	(Grimaldi, 2024; Hoikkala, Poikela, 2022; Lachaise, Silvain, 2004)
Бореальный (55–70° с.ш., холодные зимы)	D. virilis,                                                                D. pseudoobscura (montane populations)	(Grimaldi, 2024; Hoikkala, Poikela, 2022)
Неотропический (влажные тропики, Америка)	D. saltans, D. austrosaltans, D. willistoni	(Mardiros et al., 2016; Prediger et al., 2024)

 

Так, тропические виды (например, D. ananassae, D. erecta, D. yakuba, D. willistoni) обладают высокой термоустойчивостью при пониженной холодостойкости. Виды же умеренного и бореального поясов (такие как D. virilis, D. pseudoobscura) отличаются исключительной холодоустойчивостью и способностью впадать в диапаузу в ответ на изменение фотопериода, что является необходимым условием выживания в сезонно изменчивых условиях высоких широт (Hoikkala, Poikela, 2022; Kellermann et al., 2012). Несмотря на то, что высокая термоустойчивость редко развивалась у дрозофил, виды группы virilis (D. virilis в том числе) эволюционно развили хорошую термоустойчивость, которая выше средней других видов (Kellermann et al., 2012). Наблюдаемые закономерности демонстрируют, что температура является одним из основных факторов, влияющих на показатели приспособленности у D. melanogaster (Hoffmann et al., 2005; Kristensen et al., 2008; Kristensen et al., 2003). Это может быть обусловлено взаимосвязью температуры с таким фундаментальным физиологическим аспектом, как скорость основного обмена веществ (Mathur, Schmidt, 2017).

Устойчивость к высыханию и голоданию также значительно различается у разных видов Drosophila. Хотя не выявлено четких закономерностей эндемизма, в целом виды Drosophila умеренного климата более устойчивы к высыханию, чем тропические (Hoffmann, Harshman, 1999; Parkash et al., 2014; Ramniwas, Kajla, 2012), а пустынные (кактусофильные) виды лучше приспособлены к обезвоживанию, чем виды средних широт (Gibbs et al., 1997; Gibbs, Matzkin, 2001). Тропические виды в целом также менее устойчивы к голоданию при высокой вариабильности времени выживания (при 25 °C) от 171 ч (D. buzzatii) до всего лишь 25 ч (D. sechellia) (Hoffmann, Harshman, 1999). Ранее было установлено, что существует положительная корреляция между содержанием липидов в организме Drosophila и устойчивостью к ряду стресс-факторов, включая низкие температуры окружающей среды (Cossins et al., 2002; Hoffmann et al., 2001), недостаток пищи (Ballard et al., 2008; Hoffmann, Harshman, 1999) и дефицит воды (Parkash et al., 2008; Parkash, Ranga, 2013; Sisodia, Singh, 2012).

Интересно, что у многих модельных организмов, таких как нематоды, мухи и мыши, повышенная  устойчивость к различным стрессорам (окислительный стресс, тепловой шок, ультрафиолетовое излучение и ДНК-повреждающие факторы) положительно коррелирует с продолжительностью жизни (Harper et al., 2006; Murakami, 2006; Soo et al., 2023; Zhou et al., 2011). При этом устойчивость к разным стресс-факторам снижается в процессе старения у червей (Dues et al., 2016) и мух (Belyi et al., 2020). Объясняется это прежде всего сходством молекулярных механизмов регуляции стрессоустойчивости и продолжительности жизни (Badial et al., 2024; Murakami, 2006; Murakami, Johnson, 1996; Soo et al., 2023).

В проведенном нами исследовании установлена аналогичная закономерность, поскольку наиболее устойчивыми к воздействиям неблагоприятных факторов (окислительный стресс, гипертермия и голодание) были долгоживущие особи D. virilis, в то время как короткоживущие особи D. kikkawai оказались наиболее чувствительны ко всем видам воздействия неблагоприятных факторов (в том числе и к ионизирующему излучению). Без учета D. virilis у самок мы наблюдали высокую положительную корреляцию между максимальной продолжительностью жизни и устойчивостью к ионизирующему излучению, а также между максимальной продолжительностью жизни и устойчивостью к неблагоприятным воздействиям как у самцов, так и у самок (Zemskaya et al., 2017).

Эволюционно долгоживущий вид D. virilis заселяет средние географические широты Старого и Нового Света, предпочитает довольно прохладный климат и распространен от прохладных умеренных до холодных регионов с северными границами в приполярных областях, таких как Аляска, Сибирь и Скандинавия (Throckmorton, 1982; Toda et al., 1996; Wang et al., 2006), неарктика и палеарктика (Markow, O’Grady, 2008). Вероятно, условия формирования данного вида сыграли роль в устойчивости особей к воздействию стресс-факторов: они более устойчивы к голоданию, гипертермии и окислительному стрессу, но чувствительны к воздействию радиации, с которой, вероятно, эволюционно не сталкивались и не сформировали механизмы защиты к ней. D. kikkawai же является видом-космополитом (Ramniwas, Kajla, 2012), имеет циркумтропическое распределение, чувствителен к холоду и предпочитает теплые регионы (Markow, O'Grady, 2006), колонизировал Индийский субконтинент, а также Бразилию (Parkash, Ranga, 2013). Согласно полученным нами результатам, особи данного вида демонстрируют повышенную чувствительность к исследованным стресс-факторам.

Размер тела организмов является ключевым признаком, влияющим практически на все аспекты их жизненного цикла. Но существует мало данных о взаимосвязи размеров тела и стрессоустойчивости организмов. Известно, что особи с большим размером тела обладают большей способностью к терморегуляции для борьбы с экстремальным холодом и сниженной способностью к терморегуляции в ответ на экстремальную жару. У более мелких особей наблюдалась противоположная тенденция. Размер тела может определять способность к терморегуляции для борьбы с экстремальным холодом и жарой, при которых рассеивание тепла в организме, вероятно, важнее, чем его выработка (Hu et al., 2024). Исследования по отбору на размер тела у Drosophila показали, что линии с отбором на крупный размер тела часто демонстрируют сниженную устойчивость к стрессовым факторам, что может отражать прямой компромисс между инвестициями в рост и в системы защиты от стресса (Yuan et al., 2023). Устойчивость к голоданию – один из немногих параметров, по которому крупные животные имеют неоспоримое преимущество. Ключевая работа Линдштедта и Бойса (1985) обосновывает это математически: время, которое животное может прожить без еды, равно отношению его энергетических запасов к скорости их расходования (Lindstedt, Boyce, 1985). В нашем исследовании крупные особи D. virilis (≈3.6 мм в длину), вероятно, находятся на пике физиологического компромисса, обусловленного размером. Их значительные энергетические запасы объясняют рекордную устойчивость к голоданию (Lindstedt, Boyce, 1985). В то же время именно их крупный размер предсказывает пониженную устойчивость к гипертермии в силу физических законов теплоотвода (Hu et al., 2024). Однако наши данные показывают, что этот негативный эффект может нивелироваться мощными молекулярными адаптациями, выработанными в ходе эволюции в суровых условиях, что и проявляется в их многогранной стрессоустойчивости.

Заключение

Выявленное распределение видов Drosophila по стрессоустойчивости обнаруживает отчетливую связь с широтным распространением и климатической специализацией. Виды умеренного и бореального поясов, в первую очередь D. virilis, демонстрируют максимальную толерантность к ключевым для этих регионов стрессорам – голоданию, экстремальной температуре и окислительному стрессу, что отражает адаптацию к суровой сезонной изменчивости и дефициту ресурсов. Однако их высокая физиологическая устойчивость сочетается с крайней чувствительностью к облучению, что указывает на отсутствие универсальной защиты и специализацию механизмов адаптации. Напротив, виды тропического и субтропического происхождения, составившие основу первого кластера, демонстрируют сбалансированную устойчивость с акцентом на радиоустойчивость. Виды из третьего кластера характеризуются пониженной общей стрессоустойчивостью, что обусловлено либо обитанием в стабильных тропических условиях, не требующих формирования множественных защитных механизмов, либо использованием альтернативных стратегий выживания (космополитизм, поведенческие адаптации), не предполагающих высоких физиологических резервов.

Таким образом, стратегии стрессоустойчивости у дрозофил не являются универсальными, они формируются как специализированные адаптивные комплексы, отражающие особенности тех эколого-географических факторов, которые исторически определяли выживание вида в его естественном ареале.

Библиография

Благодарности

В работе использовали линии из коллекции лабораторных линий плодовых мушек Drosophila ИБ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН (https://ckp-rf.ru/catalog/usu/471927/).

Работа выполнена в рамках государственного задания Института биологии Коми НЦ УрО РАН по теме «Генетические механизмы стрессоустойчивости и контроля продолжительности жизни для поиска новых мишеней для геропротекторных вмешательств на модели Drosophila melanogaster» № 125013101228-2.