vad är skillnaden mellan svarta nyckelpigor med röda fläckar och röda nyckelpigor med svarta fläckar? Barn – som vuxna-har en gång ställt sig denna fråga. Så gör forskare. Sedan 1920-talet har det funnits ett växande arbete med den gemensamma närvaron av distinkta färgade mönster hos insekter inom samma art. Ledande figurer inom evolutionär biologi, såsom genetiker Theodosius Dobzhansky eller ekolog Michael Majerus, har intresserat sig för det.

ett av de mest kända fallen av svart pigmenteringspolymorfism beskrevs på 19-talet i en fjäril, den peppared mal, med en mörkare hel kropp. Det har kallats industriell melanism eftersom mutationen som gjorde insekten svart var samtidigt med den industriella revolutionen i England. En sotfärgad fjäril har större chans att överleva på en sotförorenad björk.

men i de flesta insektsarter som påverkas av melanism förekommer mörkning endast på vissa delar av insektskroppen och bildar diskontinuerliga och komplexa svarta mönster. Detta är fallet med Harlekin nyckelpiga, Harmonia axyridis, även känd som den asiatiska nyckelpiga. Denna insekt är en mästare av polymorfa melaniska mönster med mer än 200 färgmönsterformer som beskrivs i naturliga populationer runt om i världen. Dessa former motsvarar i huvudsak variationer i svarta områden på en röd bakgrund på elytra, de härdade forewings som täcker bakvingarna.

färggenen identifierad

de genetiska mekanismerna genom vilka dessa melaniska mönster skapas och upprätthålls i nyckelpiga populationer förblir i stort sett okända. Det har varit känt sedan 1950-talet att de olika färgformerna härrör från genetiska variationer belägna i en enda region av genomet, som inte tidigare hade karakteriserats. Våra forskargrupper går samman och sätter ihop sin expertis inom befolkningsgenomik och utvecklingsbiologi för att ta itu med detta problem. Och våra ansträngningar lönade sig: vi har identifierat det genomiska ursprunget för de olika färgmönstren i Harlekin nyckelpigor. I synnerhet har vi identifierat genen som kodar för alla instruktioner som behövs för att rita de olika motiven som dekorerar Harlequin nyckelpigornas förvar. Dessa resultat publicerades i augusti 2018 i tidskriften Current Biology.

först sekvenserade vi det fullständiga genomet av Harlekin nyckelpiga. Sedan, för att identifiera regionen av genomet associerat med färgvariation, jämförde vi genomsekvenserna hos många Harlekin nyckelpigor av olika färgformer som härrör från flera naturliga populationer runt om i världen. Denna analys pekade på en specifik region av genomet, som inkluderade två angränsande gener. Den successiva inaktiveringen av var och en av dessa två kandidatgener identifierade genpannieren som den som ansvarar för bildandet av svarta mönster på elytra.

genen pannier upptäcktes först i fruktfluga på 1980-talet. i allmänhet hänvisar namnen på gener, ofta med en antydan till humor, till de fysiska missbildningar som syns när denna gen muteras. För genpannieren är det formen på det mutanta embryot som liknar en pannier som inspirerade sitt namn till genetikerna som upptäckte det. Överraskande, i ingen annan insekt verkade genpannieren vara kopplad till produktionen av färgmönster. Därefter, genom att avslöja platsen för proteinet som produceras av denna gen, har vi visat att pannier aktiveras (eller uttrycks) under elytrabildning.

mer exakt är genpannieren aktiv i olika populationer av elytra-celler som prefigurerar exakt var den svarta pigmenteringen kommer att visas hos vuxna. Pannier aktiverar sedan andra gener som kollektivt säkerställer produktionen av svart pigment av dessa celler och därmed bildandet av de svarta fläckarna (i ”röda” nyckelpigor) eller den svarta bakgrunden (i ”svarta” nyckelpigor). Uttrycket av genpannieren styrs själv av reglerande DNA-sekvenser belägna runt genen. Det är dessa sekvenser, som är mycket olika i sin molekylära sammansättning, som definierar varianter av genen pannier associerade med de olika färgformerna. Frekvenserna för dessa varianter varierar bland populationer, vilket skapar mycket färgglada kompositioner inom de naturliga populationerna i Harlequin ladybug över hela världen.

Sammanfattningsvis hittar de olika färgmönstren i Harlekin nyckelpiga sitt genetiska ursprung i variationer av den rumsliga aktiveringen av en enda gen som orkestrerar etableringen av olika melaniseringsmönster av elytra. Generellt sett illustrerar dessa resultat hur variationer i en enda gen (genotyper) i vissa fall kan generera en imponerande mångfald fenotyper.

utöver färgerna

det har länge varit misstänkt att färgningen av en nyckelpiga, och därmed variationer i genpannieren, påverkar andra egenskaper som är involverade i överlevnad och reproduktion av denna insekt. Således kan fördelningen av de olika färgformerna inom populationer återspegla ett adaptivt svar på lokala begränsningar (till exempel klimatbegränsningar). I detta sammanhang kan en intressant anmärkning göras, som kopplar färgen till den invasiva karaktären hos Harlekin nyckelpiga, som från sitt hemland i Asien nyligen koloniserade de fyra kontinenterna (Nordamerika, Sydamerika, Europa och Afrika).

överraskande är mångfalden av färgformer av H. axyridis begränsad på invaderade kontinenter. I de flesta koloniserade områden (utom i Europa) är endast den icke-melaniska formen (röd elytra med cirka 20 svarta fläckar) närvarande. Hittills har det inte varit möjligt att avgöra om kvasifixeringen av en enda färgform i det invaderade området beror på historiska eller demografiska händelser (enkla slumpmässiga effekter) eller på en naturlig urvalsprocess som gynnar den icke-melaniska formen under invasionen. Våra resultat om regionerna i genomet som är ansvariga för färgvariationer kan tillåta oss att bestämma mellan dessa två hypoteser.