Самки бабочек-парусников делают то, что делают многие бабочки, чтобы выжить: они имитируют узоры крыльев, формы и цвета других видов, которые токсичны для хищников. У некоторых, но не у всех, видов парусников развилось несколько различных форм этой черты. Но какие генетические изменения привели к этим различным маскировкам, и почему некоторые виды сохраняют неприкрытую форму, когда мимикрия обеспечивает очевидное эволюционное преимущество?
В новом исследовании, опубликованном на этой неделе в Nature Communications, ученые из Чикагского университета анализируют генетические данные группы видов парусников, чтобы выяснить, когда и как впервые развилась мимикрия и что с тех пор вызвало эти изменения.. Эта история началась около двух миллионов лет назад, но вместо устойчивых, прогрессивных изменений один случайный генетический переключатель помог создать первых имитаторов парусного хвоста. И с тех пор он так и остался.
У бабочек с одним цветовым узором у нас есть ген с нормальной ориентацией на хромосоме. У бабочек с необычным чередующимся цветовым узором этот ген был сплайсирован, перевернут, а затем сплайсирован обратно в хромосому. хромосомы в какой-то момент», - сказал Маркус Кронфорст, доктор философии, адъюнкт-профессор экологии и эволюции Калифорнийского университета в Чикаго и старший автор исследования.
Этот переворот, или инверсия, удерживает два гена от рекомбинации, если эти два разных вида бабочек спариваются, поэтому они сохраняют обе копии гена в течение эволюционного времени, так как они отделились от своего общего предка два миллиона лет назад, - сказал Кронфорст.
В течение долгого времени ученые считали, что мимикрия бабочек контролируется «супергенами», группами нескольких тесно связанных генов, которые всегда наследуются как группа. В исследовании 2014 года Кронфорст и его коллеги показали, что то, что кажется супергеном, на самом деле является одним геном, называемым двойным полом, который контролирует различные цветовые узоры и формы, которые мы наблюдаем у самок парусника.
Ген двойного пола уже хорошо известен своей ролью в дифференциации полов, но у самок инвертированная или перевернутая версия также диктует рисунок крыльев. Его все еще можно считать супергеном, поскольку он контролирует весь сложный процесс формирования рисунка крыльев, но в данном случае это всего лишь один ген.
В новом исследовании под руководством постдокторанта Вэй Чжана, доктора философии, команда проанализировала данные о последовательностях всего генома Papilio polytes, азиатской бабочки-парусника и нескольких похожих видов, чтобы увидеть, как они связаны друг с другом. и как сравнить их копии двойного секса. Используя эти данные, команда сравнила некоторые альтернативные объяснения происхождения мимикрии и определила ключевые факторы, которые поддерживали различные формы мимикрии в долгосрочной перспективе.
Наиболее близкий вид к группе P. polytes, называемый Papilio protenor, распространен в континентальной Азии от Индии до Японии и не развил мимикрии - и самцы, и самки выглядят одинаково. Другие виды, которые распространились с материка на острова Филиппин и Индонезии, развили три или четыре различные формы, особенность, известная как полиморфизм. Другие виды парусников распространились дальше, в Папуа-Новую Гвинею и на северо-восточное побережье Австралии, но у этих самок есть только один замаскированный рисунок крыльев.
Исследователи сравнили паттерны, которые они увидели в данных о последовательности генома, с некоторыми возможными объяснениями того, как эти паттерны мимикрии развивались с течением времени и в зависимости от географии. Развивалась ли мимикрия независимо у разных видов в разные моменты времени? Возникло ли оно у одного вида, а затем распространилось путем скрещивания или гибридизации?
Похоже, что мимикрия на самом деле имеет одно древнее происхождение, когда ген двойного пола изменился два миллиона лет назад. После этой первоначальной инверсии Чжан и Кронфорст заметили признаки так называемого уравновешивающего отбора. Когда один вид бабочек становится более распространенным, хищники понимают, что они не ядовиты, и начинают ими питаться. Это уменьшает количество этой конкретной бабочки, пока другая не станет более распространенной, и так далее. В конце концов этот процесс уравновешивается и сохраняет относительное количество каждой формы.
Они также увидели, что некоторые популяции бабочек сохраняли несколько женских форм на протяжении миллионов лет, в то время как другие утратили первоначальную, неприкрытую форму. Исторически сложилось так, что самые маленькие группы, т.е. те, которые распространились дальше всего в Австралию, потеряли полиморфизм, позволив случайному генетическому дрейфу и естественному отбору отсеять первоначальную форму.
Исследователи также изучили, что поддерживало полиморфизм с течением времени. Одной из причин может быть половой отбор, когда самцы предпочитают одни женские цветовые узоры другим. Однако предыдущие исследования брачного поведения не подтверждают эту идею. Другая возможность - это «крипсис», или идея о том, что неприкрытые самки сливаются с естественным окружением лучше, чем мимики. Кронфорст и его команда проверили эту гипотезу, сравнив миметических и немиметических самок на фоне зеленого леса, используя модели для зрения хищников (то есть птиц). Неподражаемые, незамаскированные самки на самом деле не сливаются с фоном больше, чем мимики, так что эта идея тоже отпадает.
Эти два вывода в сочетании с данными геномной последовательности заставили исследователей задуматься о еще одной интригующей возможности. Возможно, генетические изменения, которые в первую очередь привели к мимикрии, также создали некоторые долгосрочные недостатки. Когда первоначальный ген двойного пола инвертировался, он, вероятно, нес с собой кучу другого неродственного генетического материала. Поскольку перевернутый ген двойного пола не может быть воссоединен с его исходной версией, дополнительные вещества с тех пор «путешествуют автостопом», и это может иметь последствия. На самом деле, некоторые исследования показывают, что самки-мимики живут не так долго, как обычные.
«Мы думаем, что множество различий было случайно зафиксировано, когда одна копия гена перевернулась и стала миметической копией. Поскольку многие из этих изменений функциональны, они могут быть вредны для здоровья», - сказал Кронфорст.
"Идея в том, что у вас есть этот запрограммированный недостаток мимикрии. Стандартные самки не имеют защиты мимикрии, но у них также нет этой врожденной генетической стоимости, и эти две вещи компенсируют друг друга" он сказал.
Теперь, когда они распутали часть истории эволюции мимикрии, Кронфорст сказал, что его команда хочет начать поиск конкретных генетических мутаций двойного пола, которые вызывают различные виды мимикрии.
«Если мы сможем найти способы разобрать все различия, которые мы видим, мы сможем сузить их до чего-то гораздо более дискретного, чем все различия, которые мы видим сейчас», - сказал он.
Исследование «Прослеживание происхождения и эволюции супергенной мимикрии у бабочек» было поддержано исследовательским фондом Чикагского университета Нойбауэра, стипендией Pew Biomedical Scholars Fellowship, Национальным научным фондом и Национальным институтом здравоохранения. Дополнительные авторы включают Эрику Вестерман из Университета Арканзаса, а также Эяля Ницани и Стефани Палмер из Чикагского университета.