Körülbelül egy évtizeddel ezelőtt, az evolúciós biológus, Richard Merrill napi órákat töltött „forró, párás Panamában”, Heliconius pillangókkal teli ketrecben ült, várva, hogy szexeljenek.
„Elbűvölően hangzik, ugye?” Nevet.
Merrill nyomon követte, hogy a hím hibrid Heliconius pillangók flörtöljenek - lebegés vagy üldözés formájában - akár vörösszárnyú Heliconius melpomene rosina lepkékkel, akár fehérszárnyú Heliconius cydno chioneus pillangókkal. Dokumentálta ezt a pillangó-udvariat, hogy megvizsgálja a hibridek páros preferenciáját, amelyet ő és csapata később genetikai szinten megvizsgál.
A természetben a hibrid Heliconius pillangók ritkák. A Heliconius melpomene és a Heliconius cydno egyaránt erősen mérgező, saját cianid előállítására fejlesztettek ki, és a ragadozók pontosan megtanultak, hogy néz ki e két mérgező rovar. Ha azonban a két faj keresztezi magát, szárnymintázata mindkét színmintát zavaróvá válik, így a hibrid pillangók kiemelkedő célpontjaivá válnak a ragadozás számára. Ennek eredményeként a hibridek élete gyakran véget ér, mielőtt szaporodni tudnának.
A tegnap a PLOS Biology folyóiratban közzétett cikkben Merrill és kollégái először megerősítették, hogy ezekben a pillangókban a preferenciális párzási viselkedést valóban a DNS-é írja. Pontosabban, csapata a genom mindössze három részét találta meg, amelyek a páros választás viselkedésének legalább 60% -át ellenőrzik.
"Ez azt illusztrálja, hogy egy olyan komplex viselkedés, mint a páros preferencia a genom mindössze három régiójával társítható" - mondja Erica Westerman, az Arkansasi Egyetem evolúciós biológusa, aki nem vett részt a vizsgálatban. „Úgy gondolják, hogy ez a genom sok területéhez társul. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy célzott megközelítést alkalmazzunk annak ellenőrzésére, hogy ezek a gének hogyan befolyásolják ezen pillangók viselkedését. "
Itt a két faj - a Heliconius cydno, a bal oldalon és a Heliconius melpomene, a jobb oldalon - a rovarokon udvarol . Nagyon ritka a vadonban, de a tudósok arra késztethetik őket, hogy fogságban tegyék meg. (Luca Livraghi) Hogy pontosan hogyan maradnak e két Heliconius pillangó különálló fajok, még mindig rejtély. A specifikáció, vagy egy új faj létrehozásának folyamata könnyen megmagyarázható, ha vannak olyan földrajzi határok, mint például a hegyek, amelyek egy fajt fizikailag feloszthatnak kettőre. A tudósok rejtvénye az, hogy a H. melpomene és a H. cydno több mint egymillió éven keresztül ugyanazon ökoszisztémákban éltek, és ugyanazokért az erőforrásokért versenyeznek. A színes, mérgező pillangók ugyanakkor két különálló faj maradnak, amelyek megtagadják a párosodást és egyesítik genetikai tulajdonságaikat.
Ez egy reproduktív izolációnak nevezett biológiai koncepció tökéletes bemutatása, melynek eredményeként a Heliconius pillangók több mint 100 éve az evolúciós tanulmányok fő alanyai. A tudósok feltételezik, hogy a reproduktív elszigeteltséget bizonyos esetekben erőteljes assortativ párzás útján tartják fenn, ami azt jelenti, hogy egy organizmus csak olyan párral szaporodik, amely hasonló lesz. Ezért az őket megosztó gát nem környezeti, hanem genetikai.
A müncheni Ludwig Maximilian Egyetemen székhellyel rendelkező Merrill és munkatársai olyan módszert alkalmaztak, amely megmutatja, hogy a genom mely területei befolyásolják a legjobban a párzási viselkedést, ám a pontos géneket nem határozták meg pontosan. Ennek ellenére az elemzésük elég egyértelmű volt ahhoz, hogy bemutassák, hogy a párosodási preferenciát befolyásoló három régió egyike az Optix nevű gén közelében van, amelyről ismert, hogy a H. melpomene élénk vörös szárnyának mintáit szabályozza. (Az Optix olyan erőteljesen befolyásolja a színt, hogy be- és kikapcsolása a CRISPR génszerkesztő eszközzel a pillangó szárnyait teljesen színtelenné teszi.) Valójában ez a genetikai régió csak 1, 2 centiMorgans - ezeket az egységeket használják a távolság mérésére. a kromoszómán lévő gének között - távol az optix géntől.
Az a tény, hogy a páros preferenciát szabályozó genetikai szálak annyira közel állnak az optix-hoz, a szárnymintákat létrehozó génhez, valamint néhány más vizuális útmutatáshoz, izgalmas következményekkel jár a viselkedés kialakulását vizsgáló kutatók számára, például a párzási preferencia szempontjából.
A Heliconius melpomene rosina pillangó virágon nyugszik. (Richard Merrill) „[Ez a tanulmány] sok betekintést nyújt a preferencia és az preferencia-jel fizikai összekapcsolódásába” - mondja Susan Finkbeiner, a Chicagói Egyetem evolúciós biológusa, aki nem vett részt a vizsgálatban. A kutatás alátámasztja azt az elképzelést, miszerint a hajlító színmintázat és az adott hajlító szín preferenciája kapcsolódik egymáshoz.
Ha a párzási viselkedés és az előnyben részesített tulajdonság valóban fizikailag beleakad egy kromoszómába, akkor mindkettőt könnyedén átadják a következő generációnak, megőrizve a két faj közötti fajta genetikai gátját. "Új fajok fejlődhetnek anélkül, hogy fizikai akadályokat idéznénk elő, például a tengereket vagy a hegyeket" - mondja Merrill.
Egy második tanulmány kimutatta, hogy annak ellenére, hogy a hibrid túlélés ritka, az elmúlt millió évben elég történt, hogy ez a két pillangó tízszer több genetikai anyagot oszt meg, mint az emberek és a neandertalók. Úgy tűnik, hogy még néhány keresztezéses esemény is erős hatással lehet a genetikára.
A kutatás, amelyet a Cambridge-i Egyetem evolúciós biológusa, Simon Martin vezet, a Heliconius kilenc populációjának teljes genomszekvenálását használta a pillangók DNS azon területeinek meghatározására, ahol a hibridizáció és a természetes szelekció befolyásolta az organizmusok genetikáját az idő múlásával. Az a tény, hogy a fajok vizuálisan különböznek egymástól az igen hasonló genomok ellenére, megerősíti, hogy az evolúciós erők milyen hatalmasak az életfa kialakításában.
"Nem csak egy evolúciós út vezet" - mondja Martin. „Ez egy hálózat vagy egy web. De a tanulmányom azt mutatja, hogy kiszámítható. Van egy gyönyörű kiszámítható minta ebben az élet bonyolult hálójában. ”
Végül Martin eredményei, amelyeket a PLOS Biology-ban is közzétettek, szintén megerősítik Merrill eredményeit, és azt mutatják, hogy a két faj külön marad a DNS-ben a természetes szelekció révén kialakult erős genetikai korlátok miatt - olyan akadályok, mint az optix és a reproduktív preferencia közötti kapcsolat. A szárnyszín és a páros preferencia közötti ez a kötés még a hibrid pillangókban sem veszíthet el, mert a két genetikai tulajdonság annyira szorosan kapcsolódik egymáshoz - valószínűleg akár ugyanazok a gének. Az ilyen genetikai akadályok teszik a specifikáció kiszámíthatóságát a történelmi hibridizációs események bizonyítéka ellenére.
"A kiszámíthatóság a természetes szelekció miatt van" - mondja Martin. "Nemcsak a fajok létrehozásában, hanem annak meghatározásában is, hogy mely gének kerülnek továbbadásra, és melyek nem növelik a természetes szelekció szerepét az evolúcióban."
Következő lépésként Merrill reméli, hogy megtalálja a pontos géneket a szárny-szín-preferencia viselkedés mögött. Arra készül, hogy gépi tanulást és videokamerákat használ, hogy a csapat legközelebb több adatot gyűjtsön.
"Megpróbálunk kidolgozni módszereket ennek a folyamatnak a automatizálására" - mondja Merrill. Miután a csapat rendelkezett specifikus génekkel, amelyeket megcélozhat, a CRISPR segítségével kiütés-vizsgálatokat végezhetnek, és megfigyelhetik, hogy a pillangók hogyan viselkednek a gének nélkül, amelyekről azt gondolják, hogy a viselkedésüket ellenőrzik.
A Heliconius pillangók válogatott szárnyszín-preferenciáját szabályozó gének nélkül a két különálló faj inkább hajlamos lesz egymással párosodni. Annak érdekében azonban, hogy biztosan megtudjuk, Merrillnek vissza kell térnie a Smithsonian Trópusi Kutatóintézet pillangó ketrecébe, és ülnie kell, és várnia kell, hogy megtudja, lehet-e fajok közötti rovarok fellépése. Bár nem bánná.
"A világon sehol máshol nem végezhetett volna el ezt a tanulmányt" - mondja.
