Asi před deseti lety strávil evoluční biolog Richard Merrill několik hodin denně v „horké, zapařené Panamě“, sedící v kleci plné motýlů Heliconius a čekali, až se budou mít sex.
"Zní to okouzlující, že?" Směje se.
Merrill sledoval, zda mužské hybridní motýly Heliconius budou flirtovat - ve formě vznášejícího se nebo pronásledování - s buď červenokřídlými motýly Heliconius melpomene rosina nebo bílými okřídlenými motýly Heliconius cydno chioneus . Zdokumentoval tuto motýlí námluvu, aby studoval preference hybridů 'mate, kterou on a jeho tým později prozkoumali na genetické úrovni.
V přírodě jsou hybridní Heliconius motýli vzácní. Heliconius melpomene a Heliconius cydno jsou velmi jedovatí, vyvinuli se k produkci vlastního kyanidu a predátoři se naučili přesně, jak oba tyto toxické hmyzy vypadají. Pokud se však oba druhy prolínají, stává se jejich křídlový vzor dezorientující mash-up obou barevných vzorů, díky čemuž jsou hybridní motýli vynikajícím cílem pro predaci. V důsledku toho životy hybridů často končí, než se mohou rozmnožit.
V příspěvku zveřejněném včera v časopise PLOS Biology Merrill a jeho kolegové poprvé potvrdili, že preferenční páření u těchto motýlů je skutečně napsáno v jejich DNA. Konkrétně jeho tým našel jen tři části genomu, které ovládají alespoň 60 procent chování při výběru partnera.
"To ukazuje, že komplexní chování, jako je preference kamarádů, může být spojeno pouze se třemi regiony genomu, " říká Erica Westerman, evoluční biologka na University of Arkansas, která se studie nezúčastnila. "To je něco, o čem se předpokládá, že je spojeno s mnoha oblastmi genomu." Umožní nám to cílený přístup a uvidíme, jak tyto geny ovlivňují chování těchto motýlů. “
Tady dva druhy - Heliconius cydno, vlevo, a Heliconius melpomene, vpravo - soud v hmyzu. Ve volné přírodě je to neobvyklé, ale vědci je mohou přimět, aby to dělali v zajetí. (Luca Livraghi) Přesně to, jak tito dva motýli Heliconius zůstávají samostatnými druhy, je stále něco tajemství. Spekulace nebo proces vytváření nového druhu lze snadno vysvětlit, pokud existují geografické hranice, jako jsou hory, které fyzicky rozdělí jediný druh na dva. Vědci, kteří hádají, je to, že H. melpomene a H. cydno spolu žili ve stejných ekosystémech a soupeřili o stejné zdroje déle než jeden milion let. Přesto, barevné jedovaté motýly zůstávají dvěma samostatnými druhy, které odmítají spárovat a slučovat své genetické vlastnosti.
Je to dokonalá demonstrace biologického konceptu zvaného reprodukční izolace, díky kterému jsou motýli Heliconius hlavní předměty pro evoluční studia více než 100 let. Vědci předpokládají, že reprodukční izolace je v některých případech udržována prostřednictvím silného směsného páření, což znamená, že se organismus bude reprodukovat pouze s kamarádem, který vypadá jako oni. Bariéra, která je dělí, tedy není environmentální, ale spíše genetická.
Merrill, který nyní sídlí na Univerzitě Ludwiga Maximiliána v Mnichově, a jeho kolegové použili metodu, která ukazuje, které oblasti genomu mají největší vliv na chování při párování, ale nepřesněly přesné geny. Přesto byla jejich analýza dostatečně jasná, aby ukázala, že jedna ze tří oblastí, která ovlivňuje preferenci páření, je blízko genu zvaného optix, o kterém je známo, že řídí zářivé vzory červených křídel v H. melpomene . ( Optix má tak silný vliv na barvu, že jeho zapnutí a vypnutí pomocí nástroje pro úpravu genů CRISPR může způsobit, že křídla motýla budou zcela bezbarvá.) Ve skutečnosti je tato genetická oblast pouze 1, 2 centiMorgans - což jsou jednotky používané k měření vzdálenosti mezi geny na chromozomu - daleko od genu optix .
Skutečnost, že genetické řetězce kontrolující preference kamarádů jsou tak blízko optixu, genu, který vytváří vzory křídel, stejně jako některé další vizuální narážky, má pro vědce, kteří studují vývoj chování, jako je páření, tak vzrušující důsledky.
Heliconius melpomene rosina motýl spočívá na květu. (Richard Merrill) „[Tato studie] poskytuje mnoho pohledů na to, jak jsou fyzicky propojeny preferenční a preferenční narážky, “ říká evoluční biolog Susan Finkbeiner z Chicagské univerzity, který se studie nezúčastnil. Výzkum podporuje myšlenku, že „vzor barvy předních barev a preference této konkrétní barvy předních barev jsou spojeny jeden s druhým.“
Pokud je chování páření a upřednostňovaná vlastnost fyzicky zapletené do jediného chromozomu, pak by oba byly snadno předány další generaci, přičemž by mezi těmito dvěma druhy zůstala zachována genetická bariéra druhů. "Můžeme mít vývoj nových druhů bez vyvolání fyzických bariér, jako jsou moře nebo hory, " říká Merrill.
Druhá studie ukázala, že ačkoli hybridní přežití je vzácné, v posledních milionech let se stalo, že tito dva motýli sdílejí desetkrát více genetického materiálu než lidé a neandrtálci. Zdá se, že i několik událostí křížení může mít silný vliv na genetiku.
Výzkum vedený evolučním biologem Simonem Martinem z University of Cambridge použil celé genomové sekvencování devíti populací Heliconius k určení oblastí DNA motýlů, kde hybridizace a přirozený výběr časem ovlivnily genetiku organismů. Skutečnost, že druh zůstává navzdory velmi podobným genomům tak vizuálně odlišný, znovu potvrzuje, jak silné evoluční síly formují strom života.
"Neexistuje jen jedna evoluční cesta, " říká Martin. "Je to síť nebo web." Ale moje studie ukazuje, že je to předvídatelné. V této složité síti života je krásný předvídatelný vzor. ““
Martinovy výsledky, také publikované v PLOS Biology, také posilují Merrillova zjištění, což ukazuje, že tyto dva druhy zůstávají oddělené kvůli silným genetickým bariérám v jejich DNA, které vznikly přirozeným výběrem - bariéry, jako je spojení mezi optixem a reprodukční preference. Tuto vazbu mezi barvou křídla a preferencí matek nelze ztratit ani u hybridních motýlů, protože tyto dva genetické rysy jsou tak úzce propojeny - možná dokonce poháněny stejnými geny. Takové genetické bariéry umožňují speciaci předvídat navzdory důkazům o historických hybridizačních událostech.
"Existuje přirozená předvídatelnost, " říká Martin. "Není to jen při tvorbě druhů, ale také při určování, které geny jsou předávány a které nejsou [to] zvyšuje roli přirozeného výběru v evoluci."
Jako další krok Merrill doufá, že najde přesné geny, které jsou základem tohoto chování preferovaného křídel. Přebíjí možná pomocí strojového učení a videokamer, aby tým příště mohl shromáždit více dat.
"Snažíme se vyvinout metody pro automatizaci tohoto procesu, " říká Merrill. Jakmile má tým specifické geny, na které je možné cílit, mohou pomocí CRISPR provádět knockoutové studie a sledovat, jak se motýli chovají, bez genů, o nichž se předpokládá, že řídí jejich chování.
Bez genů, které kontrolují preferovanou volitelnou barvu křídla Heliconius motýlů, by mohly být dva samostatné druhy více nakloněny vzájemnému spárování. Aby to bylo jisté, Merrill možná bude muset zamířit zpět do klece s motýly v Smithsonian Tropical Research Institute a sedět a čekat, jestli dokáže chytit nějaké mezidruhové akce proti hmyzu. I když by mu to nevadilo.
"Na světě není nikde jinde, co byste mohli udělat tuto studii, " říká.
