У них одни из самых впечатляющих головных уборов в мире насекомых, но они не больше кукурузного зерна.
Они живут по всему миру, в том числе в Сторрсе, в основном в лесах и садах, но у некоторых избранных есть один из лучших видов на кампус из их уютных сетчатых палаток внутри исследовательских теплиц на крыше на Биологии / Физике. Здание - обычно это не то место, где вы хотели бы разместить жука, который пронзает растения, чтобы полакомиться их соком. Но это не типичные ошибки.
Во всем мире насчитывается более 3000 видов крошечных цикад, известных своей богато украшенной переднеспинкой - дорсальной верхней стороной первого из трех сегментов грудной клетки насекомого, которую обычно называют «шлемом» цикадки.«Почему у цикадки появился увеличенный трехмерный орнамент на капюшоне, который отличает ее от остального мира насекомых, остается загадкой для ученых, хотя предполагается, что вероятной причиной является мимикрия или камуфляж, призванный защитить ее от хищников».
Но исследование ученых из отдела экологии и эволюционной биологии Университета Коннектикута, опубликованное сегодня в журнале Nature Ecology & Evolution, проливает новый свет на давние дебаты о том, как эволюционировал шлем древесной цикадки.
"Меня всегда интересовали вещи, которые выглядят действительно круто", - сказала Сера Фишер, доктор философии. '19, исследователь с докторской степенью и получатель стипендии UConn Outstanding Scholar Fellowship, который изучает цикад с 2012 года и является ведущим автором нового исследования. «И, в частности, формы тела, когда вы думаете: «Вау! Как это эволюционировало?» Вы знаете, где это просто немного сногсшибательно."
Шлем цикадки действительно сногсшибателен: некоторые виды напоминают листья или шипы, в то время как другие выглядят так, как будто на голове цикадки сидят муравьи или осы. Вопрос о том, как появился этот уникальный шлем, является предметом споров среди энтомологов и биологов-эволюционистов, изучающих мелких насекомых: он развивается с использованием тех же генов, что и остальная часть стенки тела? Или он должен был откуда-то позаимствовать гены развития - может быть, ноги или крылья?
«У их ближайших родственников - и почти у всех остальных насекомых - эта же часть тела - просто плоский кусок спины», - сказал Фишер. «У цикадки эта часть тела проецируется в трех разных измерениях, что дает им совершенно новое пространство, в котором они могут развиваться. Они существуют примерно 130 миллионов лет, но за это время они развили 3000 различных форм этого часть тела. Такое разнообразие действительно ошеломляет."
Фишер стремился решить вопрос о том, как цикадка развила свой шлем, секвенируя РНК насекомого, нуклеиновую кислоту, присутствующую во всех живых клетках, которая работает как мессенджер, несущий информацию о том, как экспрессируются гены. Она разработала свои образцы, сначала приручив свою собственную колонию Entylia carinata, которую Фишер называет «верблюжьей цикадкой» - вид, который можно найти в Коннектикуте, имеет интересный С-образный изгиб шлема, относительно быстро развивается от яйца до взрослой особи., и не так привередлив в питании, как некоторые другие виды. Колония UConn питается быстрорастущими и простыми в выращивании растениями подсолнечника.
Затем Фишер препарировал крошечных жуков - кропотливый процесс, предпринятый с помощью микроскопа и очень тонких инструментов - и извлек образцы из цикад. Она также извлекла образцы из Homalodisca vitripennis, вида цикадок, родственного цикадкам, но не имеющего шлема и вместо этого демонстрирующего более типичную переднеспинку с гладкой поверхностью.
«Цыпочка - наш пример для сравнения», - сказал Фишер. «Это заменяет то, что, как мы думаем, предок цикадки мог быть больше похож на их общего предка».
Затем Фишер секвенировал РНК из нескольких частей тела обоих насекомых и просмотрел более миллиарда точек данных в поисках любых сходств или сигналов, которые могли бы указывать на определенные гены, играющие роль в формировании шлема цикадки. В конечном счете, в то время как последовательность РНК цикадки показала, что ее плоская переднеспинка в значительной степени похожа на ее также плоскую мезонотум, который является верхней стороной его второго сегмента тела, гены шлемовидной переднеспинки цикадки были наиболее похожи на ее крылья.
«У нас было три разных идеи, которые могли бы привести к эволюции шлема», - сказал Фишер. «Мы подумали, что, возможно, он просто использовал те же пути развития, которые обычно используются в этой спинной стенке тела. Мы подумали, что возможно повторное использование некоторых генов, связанных с крыльями, а затем мы подумали, что, возможно, гены, которые обычно участвуют в развитии ног."
Фишер продолжил: «На самом высоком уровне данные РНК указывают на то, что шлем использует много тех же генов, что и крылья в процессе развития; он строится с использованием тех же генов».
Элизабет Джокуш, директор лаборатории и профессор, наблюдающий за работой Фишера и соавтор исследования, сказала, что самым большим сюрпризом для нее было то, насколько сильным было влияние на экспрессию генов.
«Я бы подумала, что даже если бы шлем включал в себя сеть развития какой-то другой части тела, - сказала она, - мы все равно преимущественно видели бы, что он похож на его серийный гомолог, - имея в виду часть тела. ближайший к нему второй грудной сегмент. Однако это было не так: генетический ландшафт, связывающий крылья со шлемом, был предельно ясен.
Йокуш сказал, что другим сюрпризом исследования стало то, что между двумя видами - цикадкой и цикадкой - все в экспрессии генов выстраивается именно так, как вы думаете, за исключением шлема цикадки.
«Особенно у насекомых, с тем, как меняется строение их тела, вы получаете все это разнообразие за счет этих последовательно повторяющихся частей тела, расходящихся друг от друга», - сказал Фишер.«Что интересно в отношении цикадки, так это то, что это случай расхождения этих серийных гомологов, когда она не просто приобретает несколько изменений постепенно в течение сотен миллионов лет. Она берет весь этот набор генов и перераспределяет его в этом месте. и таким образом вы получите действительно другую часть тела."
В исследовании Фишера участвовали только один вид цикадки и один вид цикадки, а также образцы насекомых только на одном этапе их развития от неполовозрелых нимф до полных взрослых особей в шлемах. Тем не менее, ее работа над очаровательными маленькими жуками будет продолжена дополнительными исследованиями, включающими в себя выборку тех же видов в разные периоды их нимфального развития, а также выборку двух дополнительных видов цикад, чтобы увидеть, происходит ли одна и та же передача сигналов РНК у разных членов. разнообразное семейство цикад. Продолжающееся исследование также добавит еще один сравнительный вид - молочай.
Фишер сказал, что есть еще вопросы, на которые нужно ответить о том, как появился шлем древесной цикадки.
"Вы можете попытаться добраться до ранних изменений, например, что именно изменилось, чтобы запустить всю эту крылатую экспрессию генов?" она сказала. «Другой вопрос заключается в том, что, учитывая экспрессию гена, подобного крыльям, как мы получаем все эти формы? Как мы получаем все это разнообразие? Способы, которыми крылья насекомых могут изменять форму и форму, много изучались, особенно у бабочек. Но мы не знаем, как эта трехмерная штука могла измениться в результате естественного отбора».