Undersøgelse afslører vedligeholdelse af han-relaterede gener efter tab af hanner i pinde-insekter

Træk går ofte tabt under evolutionen, enten fordi de ikke længere er gavnlige, eller fordi de er for dyre at vedligeholde. Når dette sker, antages det generelt, at generne, der ligger til grund for egenskaben, til sidst også vil nedbrydes, hvilket gør det svært, hvis ikke umuligt, for egenskaben at dukke op igen. Alligevel er der adskillige eksempler i naturen på, at engang forsvundne træk genopstår i efterkommerslægter.

Ifølge Giobbe Forni, en forskningsstipendiat ved universitetet i Bologna, "Kortlægning af tilstedeværelsen og fraværet af egenskaber på et artstræ tyder på, at nogle egenskaber kan være gået tabt i de slægter, der fører til eksisterende arter og derefter genindsat. Vinger i pindeinsekter betragtes som et af de mere ikoniske eksempler på denne evolutionære proces."

Dette indebærer, at generne, der ligger til grund for disse egenskaber, kan bevares, i nogle tilfælde i millioner af år. Desværre er forskningen i det molekylære grundlag for en sådan genopkomst sparsom, hvilket efterlader de underliggende mekanismer, der er ansvarlige for en sådan bevarelse, stort set åbne for spekulation indtil nu.

I en ny undersøgelse offentliggjort i Genome Biology and Evolution Forni og hans kolleger kaster lys over et andet komplekst træk, der er gået tabt hos nogle pindeinsekter - produktionen af ​​hanner.

Tab af evnen til at producere hanner resulterer i populationer af kun hunner, som formerer sig ved parthenogenese, en form for aseksuel reproduktion. Undersøgelsen afslører, at gener, der er stærkt forbundet i regulatoriske netværk og involveret i flere biologiske processer, kan opretholdes længe efter, at en egenskab er tabt, hvilket giver en potentiel mulighed for genskabelse af egenskaber over lange evolutionære tidsskalaer.

I den nye undersøgelse udførte Forni og hans medforfattere Barbara Mantovani, Alexander S. Mikheyev og Andrea Luchetti en sammenlignende analyse af tre arter af pindeinsekter i slægten Bacillus. Mens Bacillus grandii marettimi-populationer er sammensat af hanner og hunner, der formerer sig seksuelt, omfatter Bacillus atticus populationer med kun hunner, der formerer sig ved parthenogenese.

En tredje art, Bacillus rossius, omfatter både seksuelle og parthenogenetiske populationer. Ved at studere skæbnen for gener involveret i mandlig reproduktion i disse tre arter, forsøgte forfatterne at undersøge, i hvilket omfang gener bevares efter tab af egenskaber og de potentielle mekanismer, der driver denne bevarelse.

Forskerne identificerede først gennetværk, hvis ekspression var korreleret med enten mandlig eller kvindelig reproduktion i den seksuelle art B. marettimi og evaluerede derefter de samme gener i B. atticus og B. rossius. Overraskende nok udviste mandsrelaterede gener ingen tegn på svækket selektion eller accelereret evolution sammenlignet med hun-relaterede gener i den parthenogenetiske art. Desuden blev mandlige relaterede genekspressionsmønstre delvist bevaret på tværs af begge parthenogenetiske arter.

Ved at dykke dybere fandt forskerne, at gener i kvinderelaterede netværk primært blev udtrykt i kvindelige reproduktive væv, mens gener i mandlige netværk blev udtrykt i mandlige og kvindelige reproduktive væv, inklusive både seksuelle og parthenogenetiske hunner. Dette tyder på, at mandsrelaterede gener også kan spille en rolle i kvindelig reproduktion.

Inddragelsen af ​​et gen i flere biologiske processer er kendt som pleiotropi, og dette fænomen kan forklare bevarelsen af ​​han-relaterede gener i disse parthenogenetiske pinde-insekter, som tidligere antaget.

Desuden fandt forfatterne ud af, at gener, der var stærkt forbundet med mange andre gener i netværket, var mere tilbøjelige til at blive udtrykt i parthenogenernes reproduktive væv, hvilket tyder på, at et gens netværksforbindelse også kan påvirke dets genbevarelse efter tab af egenskaber.

Tilsammen indikerer disse resultater "at den molekylære grundplan for den engang tabte mandlige reproduktionsproces kan fortsætte på grund af pleiotropiske effekter på andre egenskaber," forklarer Forni. "Forskellige gener kan påtage sig forskellige baner for bevarelse og henfald afhængigt af niveauet af pleiotropi i det genregulerende netværk."

Denne undersøgelse kaster ikke kun lys over den genetiske arkitekturs vedholdenhed efter tab af egenskaber, men giver også et potentielt indblik i fremkomsten af ​​sjældne mænd og kryptisk sex (dvs. episodisk generering af mænd og seksuel reproduktion), som er blevet observeret i et stigende antal slægter. man mente at have mistet evnen til at producere hanner for længe siden. Dette åbner op for nye potentielle muligheder for forskning, med implikationer, der kan række langt ud over pindeinsekter.

"At se på, hvor udbredt genetisk bevaring efter tab af egenskaber er i større skala, er stadig fundamentalt. Selvom Bacillus-artskomplekset tilbyder en god ramme til at løse disse problemer, ville det være nyttigt at analysere et større artskompleks, hvor flere overgange mellem reproduktionsstrategier har fundet sted. ," bemærker Forni.

"Selvom det ofte er nødvendigt at stole på modelarter for at opdage og dissekere biologiske processer, er det endnu vigtigere at teste vores hypoteser i en bredere sammenhæng. Dette vil kun være muligt, hvis vi dedikerer flere kræfter til at observere og analysere den fantastiske mangfoldighed af organismer og deres indviklede tilpasninger."

Flere oplysninger: Giobbe Forni et al., Parthenogenetic Stick Insects udviser signaturer for bevaring i den molekylære arkitektur af mandlig reproduktion, genombiologi og evolution (2024). DOI:10.1093/gbe/evae073

Journaloplysninger: Genombiologi og evolution

Leveret af Society for Molecular Biology and Evolution