Исследователи обнаружили ген, отвечающий за цветовые различия у шмелей. Это открытие помогает объяснить очень разнообразные цветовые узоры среди видов шмелей, а также то, как развивается мимикрия - особи в области, принимающие схожие цветовые узоры. Исследование, описывающее этот ген, который находится в высококонсервативной области генома, который обеспечивает основу для сегментации, было проведено исследователями из штата Пенсильвания и опубликовано 29 апреля 2019 года в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Существует исключительное разнообразие в окраске шмелей», - сказала Хизер Хайнс, доцент биологии и энтомологии в Пенсильванском университете и главный исследователь исследования.«Примерно из 250 видов шмелей существует более 400 различных цветовых узоров, которые в основном смешивают и сочетают одни и те же несколько цветов на разных сегментах тела пчелы».
Наиболее распространенные цветовые узоры шмелей имеют красный цвет вокруг хвоста пчелы, который, как считается, рекламирует ее опасный укус. Несмотря на большое доступное разнообразие, цветовые узоры имеют тенденцию сходиться в пределах определенного географического региона, потому что они служат важным и эффективным предупредительным сигналом. Это пример мюллеровской мимикрии, когда похожие, часто яркие цветовые узоры используются у нескольких видов, чтобы предупредить хищников об опасных особенностях, таких как ядовитость или острые шипы.
«Мюллеровская мимикрия служила примером эволюции со времен Дарвина», - сказал Хайнс. «Изучение этих систем мимикрии - схожих цветовых узоров у многих разных видов - позволяет нам увидеть, как эволюционируют естественные признаки. Это также может рассказать нам о том, как признаки кодируются в геноме: есть ли только один способ создать признак или сделать это по-другому? виды достигают сходных черт разными генетическими путями?»
Исследовательская группа исследовала генетическую основу окраски у вида Bombus melanopygus, который демонстрирует два региональных цветовых узора. У шмелей, обитающих в прибрежных районах Тихого океана, середина брюшка черная, а у шмелей в районе Скалистых гор - красные. Предыдущие исследования предполагали, что это изменение цвета было вызвано одним геном, хотя личность этого гена была неизвестна.
Исследователи провели полногеномное ассоциативное исследование, в ходе которого исследователи ищут вариации в последовательности ДНК, связанные с вариациями признака. Они идентифицировали регуляторную область, которая изменяет экспрессию гена Abdominal-B, который управляет изменением цвета.
«Abdominal-B расположен в высококонсервативной области генома, которая содержит важные гены формирования паттерна, называемые «генами Hox», которые действуют как чертежи сегментов развивающейся личинки пчелы», - сказал Хайнс. «Обычно любое изменение в этих генах Hox вызывает множество других важных изменений в развитии сегментов животного, но мы не наблюдали этих других изменений. Оказывается, изменение экспрессии Abdominal-B происходит на столь позднем этапе развития, что оно может иметь очень специфические эффекты на цвет без каких-либо других последствий».
Изменение в регуляторной области привело к экспрессии Abdominal-B в необычном месте на позднем этапе развития куколки; в то же время в развитии у пчелы начинает проявляться пигмент. Брюшной-B обычно выражен ближе к хвосту пчелы, но у пчел с красными полосами он выражен в сегментах выше, вызывая сдвиг цвета в середине брюшка.
«Возможно, что экспрессия этого гена и других генов Hox может меняться на поздних стадиях развития, что позволяет смешивать и сопоставлять внутри сегментов для создания модульного цветового рисунка, который мы наблюдаем у шмелей», - сказал Хайнс.
По мнению исследователей, это конкретное генетическое изменение в регуляторной области не было причиной изменения цвета у десяти близкородственных видов шмелей с похожими красными и черными цветовыми вариациями. Вполне вероятно, что эти другие виды претерпевают генетические изменения, нацеленные на другие регуляторные области того же гена или полностью разные гены. Исследователи продолжают изучать генетику изменения цвета у разных видов.
«Это говорит нам о том, что основа для формирования цветовых паттернов у Bombus melanopygus возникла независимо от формирования паттернов у других видов», - сказал Хайнс. «Шмели не разделяют этого сходства в цветовом узоре, потому что все они унаследовали его от общего предка, поэтому должно быть много разных путей мимикрии».
Это исследование также было проведено исследователями штата Пенсильвания Ли Тианом, Сартоком Расиком Рахманом, Брианой Эзрэй, Патриком Ломмом и Лукой Францини, а также Джеймсом Стрэнджем из Университета штата Юта. Эта работа была профинансирована грантом Hines от Национального научного фонда CAREER.