Рис. 1. Оса-паразитоид (скорее всего, Cotesia glomerata) откладывает яйца в еще маленьких гусениц (слева). Через пару недель из подросших гусениц появляются личинки осы и вскоре начинают окукливаться. Фотографии с сайта scribol.com

Симбиоз паразитоидной осы с вирусом позволяет подавлять иммунитет гусениц, в которых осы откладывают яйца. Вирус также способен регулировать активность генов гусеницы, что влияет еще и на защитную реакцию растения на гусеницу. Всё это обеспечивает повышенное выживание личинок осы и, как следствие, помогает вирусу. Однако у этого сотрудничества есть и оборотная сторона: изменяется запах растения, на котором кормятся гусеницы, что позволяет врагу осы (осе-гиперпаразитоиду) находить ее личинки и откладывать в них яйца.

Поскольку живые организмы почти всегда делят жизненное пространство с кем-то еще, в ходе эволюции выработались разнообразные варианты «совместной жизни». Надо сказать, что природа и здесь оказалась крайне изобретательной: среди этих вариантов есть как достаточно простые (например, мирное сосуществование или отношения хищника и жертвы), так и весьма замысловатые, какими иногда бывают симбиотические или паразитические связи (кстати, и люди не избежали этого, см. микрофлора человека).

При симбиозе оба организма получают выгоду от сотрудничества (см., например, новость Бактерии-симбионты, разлагающие для термитов древесину, еще и связывают для них атмосферный азот, «Элементы», 11.12.2008), а при паразитизме одна из сторон, как правило, пользуется организмом другой, не давая ничего полезного взамен и даже иногда нанося явный вред (о разных формах паразитизма можно прочитать в новости Как паразиты превращают своих хозяев в зомби, «Элементы», 04.03.2013). Однако на условной шкале «симбиоз — паразитизм» взаимодействия между организмами не ограничиваются только двумя крайними вариантами. Во-первых, паразит может приносить не только вред, но и пользу (Молодые паразиты берегут хозяина, зрелые загоняют его хищнику в пасть, «Элементы», 06.06.2011). Во-вторых, паразит бывает настолько заинтересован в выживании его хозяина, что повышает его жизнеспособность и репродуктивный успех, становясь его симбионтом (Симбиотическая бактерия распространяется, заставляя зараженных самок рожать дочерей, «Элементы», 19.04.2011).

Одна из таких историй произошла при «одомашнивании» вируса осами. Осы-наездники откладывают свои яйца в тела других насекомых, например гусениц. В живой гусенице из яиц вылупляются личинки, которые продолжают в ней жить и питаются ее тканями, постепенно ее убивая (рис. 1), — то есть наездники являются паразитоидами. Сейчас известно, что у этих ос есть небольшой помощник — поли-ДНК-вирус (polydnavirus, PDV), который они впрыскивают в тело жертвы вместе с яйцами и небольшим количеством яда. Этот вирус помогает им подавить иммунную систему хозяина, чтобы тот не сильно сопротивлялся (Наездники подавляют иммунную защиту своих жертв при помощи прирученных вирусов, «Элементы», 12.02.2009).

Две группы ученых — одна из США, другая из Нидерландов и Германии — параллельно исследовали вопрос взаимоотношений паразитоидов с их вирусами. Группы работали с разными видами, но полученные ими результаты (опубликованные одновременно) прекрасно дополняют друг друга.

Первая группа выращивала помидоры, на которых кормятся гусеницы американской кукурузной совки (Helicoverpa zea). В этих гусениц откладывают яйца наездники Microplitis croceipes. Ученые из США пытались разобраться в том, почему защитная реакция растения на поедание его гусеницами различается в зависимости от того, заражены гусеницы личинками ос или нет.

Растения могут реагировать на повреждения, выделяя защитные белки: ингибитор трипсина (trypsin inhibitor, TI) и полифенол оксидазу (polyphenol oxidase, PPO). Повышенная активность этих веществ приводит к снижению скорости роста гусениц (G. W. Felton et al., 1989. Activation of plant foliar oxidases by insect feeding reduces nutritive quality of foliage for noctuid herbivores). Ученые сначала оставляли гусениц на 10 часов на ограниченном участке «зелени» томата, а через два дня замеряли уровень защитных белков. Оказалось, что уровни обоих белков были ниже у растений, на которых кормились зараженные гусеницы, чем у растений, на которые сажали здоровых гусениц.

Проверка активности генов, отвечающих за выработку PPO, а также других защитных молекул — треонин дезаминазы (threonine ammonia-lyase), ингибиторов протеиназ, терпенов, фенолов и глюкокортикоидов — подтвердила отсутствие нормальной активации защитных механизмов растения в ответ на повреждения от гусениц, зараженных личинками ос.

Ученые предположили, что воздействие на растение может происходить через слюну гусениц. И действительно, та же разница в реакции растения воспроизводится при нанесении слюны зараженных и здоровых гусениц на искусственно поврежденные участки листьев.

Активность глюкозооксидазы (GOX) — белка иммунной системы гусеницы, в большом количестве содержащегося в слюне, на который, как было показано ранее, обычно и реагируют растения (D. Tian et al., 2012. Salivary Glucose Oxidase from Caterpillars Mediates the Induction of Rapid and Delayed-Induced Defenses in the Tomato Plant), — а также кодирующего его гена оказались значительно снижены у зараженных гусениц по сравнению со здоровыми. Разница оказалась заметной уже на четвертый день после заражения (рис. 2, слева). Причем это снижение наблюдалось и после искусственного введения в здоровую гусеницу поли-ДНК-вируса осы без ее яиц. Мало того: реакция растения на такую гусеницу была идентична реакции на гусеницу, зараженную осой. Из этого исследователи заключили, что именно вирус, а не личинки осы, ответственны за изменение защитной реакции растения на гусеницу.

Рис. 2. Активность глюкозооксидазы (GOX) по скорости расщепления нитрофенол глюкозида. Слева — в момент заражения, через 2, 4 и 6 дней после заражения гусеницы (P) по сравнению со здоровыми гусеницами того же возраста (NP). Разные буквы над столбиками обозначают значимые различия. Справа — в результате инъекции в здоровую гусеницу вируса (сине-серый кружок), яда (пробирка с зеленой жидкостью), яиц осы (три черточки) или буферного раствора (PBS) в разных комбинациях. Иллюстрации из обсуждаемых статей в PNAS

Также исследователи продемонстрировали, что наблюдаемые изменения в реакции растения благотворно влияют на рост гусениц. А это выгодно поедающим ее изнутри личинкам осы. Для этого они кормили одних зараженных гусениц на растениях, обработанных слюной здоровых гусениц, а других — на растениях, обработанных слюной зараженной гусеницы. Последние показали значимо большую скорость роста (рис. 3). А развивающиеся в них личинки выживали почти в два раза чаще, чем в гусеницах, которые кормились на растениях, обработанных слюной незараженной гусеницы.

Рис. 3. Скорость роста зараженных гусениц (грамм в день) кормящихся на нетронутом растении (С), на растении, обработанном слюной незараженной гусеницы (NP) и слюной зараженной гусеницы (P). Диаграмма из дополнительных материалов к обсуждаемой статье C.-W. Tan et al. в PNAS

Выходит, что поли-ДНК-вирус не только снижает защитную реакцию гусеницы на личинок, но и через регуляцию белков слюны делает гусеницу менее заметной для защитных механизмов растения. В результате гусеницы лучше растут и личинкам осы достается больше еды.

Исследователи из Германии и Нидерландов изучили обратную сторону дружбы осы и вируса. Они обнаружили, что вирус не только помогает потомству осы, но и вредит ему, причем «не нарочно», если можно так сказать. Происходит это в результате целой цепочки взаимодействий между разными приспособившимися друг к другу организмами. Ученые работали с капустой (Brassica oleracea), на которой кормятся гусеницы капустницы (Pieris brassicae). Паразитоид этой бабочки — оса Cotesia glomerata. Ученых интересовало то, как зараженных гусениц находит основной враг осы — гиперпаразитоид, оса Lysibia nana, которая откладывает яйца в личинки первой осы, когда те покидают гусеницу и начинают окукливаться. При этом сами по себе гусеницы капустниц гиперпаразитоидов не интересуют — они ищут именно тех из них, которые заражены личинками ос. Ранее было показано, что, как и паразитоиды, гиперпаразитоиды ориентируются скорее на запах растений, чем на запахи их жертв (E. H. Poelman et al., 2012. Hyperparasitoids use herbivore-induced plant volatiles to locate their parasitoid host). Дело в том, что растения выделяют большое количество летучих веществ, намного большее, чем гусеница, стремящаяся себя ничем не выдать.

Исследователи сажали на каждое растение по две гусеницы и давали им кормиться в течение 24 часов, после этого убирали гусениц и всё, что те могли оставить на растении. Далее растения помещали в две стеклянные емкости, каждая из которых соединялась с одним из двух рукавов Y-образной трубки так, что между емкостью и трубкой происходил воздухообмен, но насекомые не могли добраться до растений. У входа в эту трубку выпускали готовую к откладке яиц осу-гиперпаразитоида и смотрели, какой из рукавов она выберет. Если к одному из рукавов была присоединена емкость с растением, на котором кормилась здоровая гусеница, а к другому — емкость с растением, на котором кормилась зараженная гусеница, то гиперпаразитоиды чаще выбирали последний (рис. 4). Это означает, что осы научились различать запахи растений, нормально реагирующих на присутствие гусениц, и растений с подавленной (но не отсутствующей) из-за паразитоида реакцией.

Рис. 4. Результаты тестов с выбором осой-гиперпаразитоидом запаха растения, на котором кормилась гусеница. А — выбор между контролем, когда здоровой гусенице вводили буферный раствор (PBS, синий), и зараженной гусеницей (оранжевый) или здоровой гусеницей, которой делали укол с вирусом, ядом и яйцами осы в разных комбинациях (белый). B — эксперимент с удалением слюнных желез. Синий и оранжевый — на растении кормились гусеницы с удаленными железами, здоровые и зараженные, соответственно; заштрихованные синий и оранжевый — без удаления слюнных желез; зеленый — до эксперимента на растении не было гусениц. Звездочки обозначают P-значения: одна — P < 0,05, две — P < 0,01. Рисунок из обсуждаемой статьи F. Zhu et al. в PNAS

Здоровым гусеницам делали уколы с вирусом, ядом и яйцами осы-паразитоида (три основных компонента, вводимых осой во время откладки яиц) в разных комбинациях. Гиперпаразитоидам предоставлялся выбор между запахом растения, на котором кормились такие гусеницы, и запахом растения, на котором кормилась здоровая гусеница, которой сделали укол с буферным раствором. Такой укол использовали в качестве контроля: он подтверждал, что наблюдаемые различия не являются результатом повреждения тканей гусеницы иглой и вводимой жидкостью, а являются результатом воздействия на гусеницу конкретных введенных ей компонентов. Оказалось, что сильнее всего осы-гиперпаразитоиды выражали предпочтение запаху от растения, покусанного гусеницами, которым были введены все три компонента. На втором месте по предпочтениям ос-гиперпаразитоидов были растения, покусанные гусеницами, которым вводили только вирус или вирус и яйца. Следовательно, именно наличие вирусных частиц в гусенице определяет различие в предпочтениях гиперпаразитоида. Присутствие яда несколько увеличивает разницу, а вот, казалось бы, самый главный компонент — яйца (и вылупляющиеся потом личинки) осы, похоже, вовсе не влияют на выбор запаха растения, по которому гиперпаразитоид их ищет (рис. 4, А).

Для проверки роли слюны авторы выбрали не такой метод, как их коллеги из США: они хирургически удаляли слюнные железы у гусениц, а затем давали им кормиться на растении. Гусениц с удаленными железами они сравнивали с гусеницами, которым они проводили ложную операцию: делали вскрытие, но железы оставляли на месте. Это делалось для контроля: чтобы гусеницы различались именно по наличию или отсутствию слюнных желез, но не по здоровью в целом. В результате гиперпаразитоиды потеряли свой ориентир: зараженные и здоровые гусеницы без слюнных желез были одинаково предпочитаемы, а между зараженными гусеницами без слюнных желез и гусеницами с железами гиперпаразитоиды выбирали последних (рис. 4, В).

Далее ученые проанализировали активность генов (более 24 тысяч участков ДНК) зараженной и здоровой гусеницы и обнаружили, что у зараженных гусениц 237 участков имеют повышенную активность, а еще 110 — сниженную. Среди участков со сниженной активностью оказались гены, кодирующие уже известный нам белок GOX, и ген глюкозодегидрогеназы (glucose dehydrogenase). Оба они играют важную роль в формировании ответа растения на нападение на него гусениц. Прямая оценка активности GOX, как и в первом исследовании, показала значительное ее снижение у зараженных гусениц по сравнению со здоровыми. Сходный эффект имело введение вируса в сочетании с ядом, но не яиц, яда или даже вируса по отдельности (рис. 2, справа).

Судя по полученным данным, изменения запаха растений томата происходят буквально через два-три дня после откладки осой-паразитоидом яиц. Нам известно, что оса-гиперпаразитоид может отложить свои яйца только на поздних этапах развития личинок осы-паразитоида — через пару недель после заражения гусеницы. Это означает, что либо воздействие на растение и его запах меняются по мере развития личинок осы-паразитоида, либо оса-гиперпаразитоид способна запоминать местонахождение своей будущей жертвы, чтобы вернуться в более подходящий момент. Эту проблему еще предстоит исследовать — также как и продуктивность взаимного сотрудничества осы-паразитоида и вируса в свете новой информации.

Авторы обеих обсуждаемых работ полагают, что выгода от подавления иммунитета хозяина и снижения защитной реакции растения больше, чем потери от того, что вирус косвенным путем выдает местоположение личинок осы-паразитоида ее врагу. Вместе эти две работы демонстрируют поразительную мозаику взаимодействий между растением, паразитирующей на нем гусеницей, паразитирующей на гусенице осой, симбиотическим вирусом осы и еще одной осой, паразитирующей на первой.

Источник: elementy.ru