Hvordan et vendt gen hjalp sommerfugle med at udvikle mimik

Hunlige svalehalesommerfugle gør noget, mange sommerfugle gør for at overleve:de efterligner vingemønstre, former og farver af andre arter, der er giftige for rovdyr. Nogle - men ikke alle - svalehalearter har udviklet flere forskellige former for denne egenskab. Men hvilken slags genetiske ændringer førte til disse forskellige forklædninger, og hvorfor ville nogle arter bevare en utilsløret form, når mimik giver en åbenlys evolutionær fordel?

I en ny undersøgelse offentliggjort i denne uge i Naturkommunikation , forskere fra University of Chicago analyserer genetiske data fra en gruppe svalehalearter for at finde ud af, hvornår og hvordan mimik først udviklede sig, og hvad der har drevet disse ændringer siden da. Det er en historie, der startede for omkring to millioner år siden, men i stedet for stabil, progressive ændringer, en chance genetisk switch hjalp med at skabe de første svalehale-efterligninger. Og det har holdt sig lige siden.

"I sommerfugle med et farvemønster, vi har et gen i normal orientering på kromosomet. I sommerfuglene med det usædvanlige, alternativt farvemønster, det gen blev splejset ud, vendt, og derefter splejset tilbage i kromosomet på et tidspunkt, sagde Marcus Kronforst, PhD, lektor i økologi og evolution ved UChicago og seniorforfatter af undersøgelsen.

"Det flip, eller inversion, forhindrer de to gener i at rekombinere, hvis de to forskellige slags sommerfugle parrer sig, så de har beholdt begge kopier af genet over evolutionær tid, siden de delte sig fra deres fælles forfader for to millioner år siden, " sagde Kronforst.

I lang tid, videnskabsmænd troede, at sommerfuglemimik blev styret af "supergener, " grupper af flere tæt forbundne gener, der altid blev nedarvet som en gruppe. I en undersøgelse fra 2014, Kronforst og hans kolleger viste, at det, der ser ud til at være et supergen, faktisk er et enkelt gen kaldet doublesex, der styrer de forskellige farvemønstre og former, vi ser hos hun-svalehaler.

Dobbeltkønsgenet var allerede kendt for sin rolle i at differentiere mellem køn, men hos kvinder de omvendte, eller vendt, version dikterer også vingemønstre. Det kan stadig opfattes som et supergen, fordi det styrer hele, kompleks proces med vingemønstre, men i dette tilfælde, det er kun det enkelte gen.

I den nye undersøgelse, ledet af postdoc Wei Zhang, PhD, holdet analyserede helgenomsekvensdata fra Papilio polytes, den asiatiske svalehale sommerfugl, og flere lignende arter for at se, hvordan de er relateret til hinanden, og hvordan deres kopier af dobbeltkøn sammenlignes. Ved at bruge disse data, holdet sammenlignede nogle alternative forklaringer på oprindelsen af ​​mimik og identificerede nøglefaktorer, der har opretholdt forskellige former for mimik på lang sigt.

Den mest nært beslægtede art til P. polytes-gruppen, kaldet Papilio protenor, er spredt over fastlandet Asien fra Indien til Japan og udviklede ikke mimik - både hanner og hunner ligner hinanden. Andre arter, der spredte sig fra fastlandet til øer i Filippinerne og Indonesien, udviklede tre eller fire forskellige former, et træk kendt som polymorfi. Endnu andre svalehalearter spredte sig videre til Papua Ny Guinea og Australiens nordøstkyst, men disse hunner viser kun ét forklædt vingemønster.

Forskerne sammenlignede de mønstre, de så i genomsekvensdataene, med nogle mulige forklaringer på, hvordan disse mimikmønstre udviklede sig over tid og geografi. Har mimik udviklet sig uafhængigt i forskellige arter på forskellige tidspunkter? Har det udviklet sig i én art, og derefter spredes gennem krydsning eller hybridisering?

Det ser ud til, at mimik faktisk har en enkelt gammel oprindelse, da dobbeltkønsgenet vendte for to millioner år siden. Siden den første inversion, Zhang og Kronforst så tegn på det, der er kendt som balancerende valg. Når en type sommerfugl bliver mere almindelig, rovdyr indser, at de ikke er giftige og begynder at spise af dem. Dette reducerer antallet af den pågældende sommerfugl, indtil en anden bliver mere almindelig, og så videre. Til sidst balancerer denne proces og bevarer det relative antal af hver form.

De så også, at nogle sommerfuglepopulationer har opretholdt flere kvindelige former i millioner af år, mens andre mistede originalen, utilsløret form. Historisk set, de mindste grupper — f.eks. dem, der spredte sig længst til Australien - mistede polymorfien, tillader tilfældig genetisk drift og naturlig selektion at luge ud i den oprindelige form.

Forskerne så også på, hvad der opretholdt polymorfi over tid. En årsag kunne være seksuel selektion, at hannerne foretrækker bestemte kvindelige farvemønstre frem for andre. Tidligere forskning i parringsadfærd understøtter dog ikke denne idé. En anden mulighed er "krypsis, " eller ideen om, at utilslørede hunner blander sig bedre ind i deres naturlige omgivelser end efterlignerne. Kronforst og teamet testede denne hypotese ved at sammenligne mimetiske og ikke-mimetiske hunner mod en grøn skovbaggrund ved hjælp af modeller for rovdyr (dvs. fugle) syn. mimetisk, utilslørede hunner blander sig faktisk ikke ind i baggrunden mere end efterligninger, så denne idé er også ude.

Disse to fund, kombineret med de genomiske sekvensdata, fik forskerne til at begynde at tænke på en anden spændende mulighed. Det kunne være, at de genetiske ændringer, der førte til mimik i første omgang, også indbyggede nogle langsigtede ulemper. Da det oprindelige dobbeltkønsgen blev omvendt, den havde sandsynligvis en masse andet ubeslægtet genetisk materiale med sig. Da det vendte dobbeltkønsgen ikke kan rekombineres med dets originale version, de ekstra ting har "blaffet" lige siden - og det kan få konsekvenser. Faktisk, nogle undersøgelser viser, at kvindelige mimikere ikke lever så længe som standard.

"Vi tror, ​​at en masse forskelle ved et uheld blev fanget, da en kopi af genet vendte og blev den mimetiske kopi. Fordi mange af disse ændringer er funktionelle, de kan være sundhedsskadelige, " sagde Kronforst.

"Ideen er, at du har denne fastkablede ulempe ved efterligning. Standardhunerne har ikke beskyttelse af mimik, men de har heller ikke disse iboende genetiske omkostninger, og disse to ting opvejer hinanden," sagde han.

Nu hvor de har afsløret noget af historien bag udviklingen af ​​mimik, Kronforst sagde, at hans team ønsker at begynde at lede efter de specifikke genetiske mutationer på dobbeltkøn, der forårsager forskellige former for mimik.

"Hvis vi kan finde måder at gennemskue alle de forskelle, vi ser, vi burde være i stand til at indsnævre det til noget meget mere diskret end alle de forskelle, vi ser nu, " han sagde.

Studiet, "At spore oprindelsen og udviklingen af ​​supergenmimik i sommerfugle, "blev støttet af University of Chicago Neubauer forskningsfonde, et Pew Biomedical Scholars Fellowship, National Science Foundation og National Institutes of Health. Yderligere forfattere inkluderer Erica Westerman fra University of Arkansas, sammen med Eyal Nitzany og Stephanie Palmer fra University of Chicago.