Как «перевёрнутый» ген помог бабочкам развить мимикрию
Самки бабочек-парусников (род Papilio) мимикрируют под окраску, форму и цвет крыльев других видов, ядовитых для хищников. Однако не все виды парусников развили эту черту, а у некоторых появилось несколько разных форм мимикрии. Что за генетические изменения привели к этим маскировкам и почему некоторые виды сохраняют «незамаскированную» форму, если мимикрия даёт очевидное эволюционное преимущество?
В новом исследовании, опубликованном в Nature Communications, учёные из Чикагского университета проанализировали генетические данные группы видов парусников, чтобы выяснить, когда и как впервые возникла мимикрия и что движет её изменениями. История началась около двух миллионов лет назад, и вместо постепенных изменений одна случайная генетическая перестройка помогла создать первых мимикрирующих парусников.
«У бабочек с одним цветовым узором ген находится в нормальной ориентации на хромосоме. У бабочек с необычным, альтернативным узором этот ген был вырезан, перевёрнут и затем вставлен обратно в хромосому», — сказал Маркус Кронфорст, старший автор исследования.
Эта инверсия (переворот) предотвращает рекомбинацию двух версий гена при скрещивании разных типов бабочек, поэтому обе копии гена сохранились с момента разделения от общего предка два миллиона лет назад.
Ранее считалось, что мимикрию контролируют «супергены» — группы тесно сцепленных генов. В 2014 году Кронфорст и коллеги показали, что за этим стоит единственный ген doublesex, который контролирует различные цветовые узоры и формы у самок парусников. Этот ген известен своей ролью в дифференцировке полов, но у самок инвертированная версия также диктует рисунок крыльев.
В новом исследовании под руководством Вэя Чжана команда проанализировала данные полногеномного секвенирования Papilio polytes (азиатский парусник) и нескольких родственных видов. Учёные сравнили альтернативные объяснения происхождения мимикрии и выявили ключевые факторы, поддерживающие разные её формы в долгосрочной перспективе.
- Самый близкий родственный вид, Papilio protenor (распространён в материковой Азии), не развил мимикрию — самцы и самки выглядят одинаково.
- Виды, расселившиеся с материка на острова Филиппин и Индонезии, развили три или четыре различные формы (полиморфизм).
- Виды, достигшие Папуа — Новой Гвинеи и Австралии, имеют у самок только одну «замаскированную» форму.
Анализ данных показал, что мимикрия имеет единственное древнее происхождение — инверсию гена doublesex два миллиона лет назад. С тех пор наблюдается действие балансирующего отбора: когда одна форма становится слишком распространённой, хищники перестают её избегать, что сокращает её численность, пока не возрастёт популяция другой формы. Этот процесс сохраняет относительное количество каждой формы.
При этом одни популяции сохраняли несколько форм самок миллионы лет, а другие (например, небольшие изолированные группы, достигшие Австралии) потеряли исходную, незамаскированную форму из-за случайного генетического дрейфа и естественного отбора.
Исследователи также проверили гипотезы, поддерживающие полиморфизм. Ни половой отбор (предпочтения самцов), ни крипсис (лучшая маскировка незамаскированных самок на фоне листвы, проверенная с помощью моделей зрения птиц) не подтвердились.
Это привело к новой интригующей гипотезе: сама генетическая перестройка, создавшая мимикрию, могла закрепить долгосрочные недостатки. При инверсии гена doublesex вместе с ним «перевернулся» и несвязанный генетический материал. Поскольку инвертированная версия не может рекомбинировать с исходной, этот «генетический балласт» передаётся неизменно и может иметь последствия. Есть данные, что мимикрирующие самки живут меньше, чем стандартные.
«Мы думаем, что кучка различий была случайно захвачена, когда одна копия гена перевернулась и стала мимикрирующей. Поскольку многие из этих изменений функциональны, они могут быть вредны для здоровья», — пояснил Кронфорст. «У мимикрии есть этот встроенный недостаток. Стандартные самки не имеют защиты мимикрии, но у них нет и этого врождённого генетического груза, и эти два фактора уравновешивают друг друга».
Следующий шаг — поиск конкретных мутаций в гене doublesex, вызывающих разные типы мимикрии.
Исследование «Tracing the origin and evolution of supergene mimicry in butterflies» поддержано фондами Чикагского университета, стипендией Pew Biomedical Scholars, Национальным научным фондом (NSF) и Национальными институтами здоровья (NIH).