Qual è la differenza tra coccinelle nere con macchie rosse e coccinelle rosse con macchie nere? I bambini – come gli adulti-una volta si sono posti questa domanda. Così fanno gli scienziati. Dal 1920, c’è stato un crescente corpo di lavoro sulla presenza comune di modelli colorati distinti in insetti all’interno della stessa specie. Figure di spicco della biologia evoluzionistica, come il genetista Theodosius Dobzhansky o l’ecologo Michael Majerus, si sono interessati a questo.

Uno dei casi più famosi di polimorfismo della pigmentazione nera è stato descritto nel 19 ° secolo in una farfalla, la falena pepata, con un corpo intero oscurato. È stato chiamato melanismo industriale perché la mutazione che ha reso l’insetto nero è stata concomitante con la rivoluzione industriale in Inghilterra. Una farfalla color fuliggine ha maggiori possibilità di sopravvivere su una betulla inquinata dalla fuliggine.

Tuttavia, nella maggior parte delle specie di insetti colpite dal melanismo, l’oscuramento appare solo su alcune parti del corpo dell’insetto, formando modelli neri discontinui e complessi. Questo è il caso della coccinella arlecchino, Harmonia axyridis, nota anche come coccinella asiatica. Questo insetto è un campione dei modelli melanici polimorfici con più di 200 forme del modello di colore descritte nelle popolazioni naturali intorno al mondo. Queste forme corrispondono essenzialmente a variazioni nelle aree nere su sfondo rosso sulle elitre, le ali anteriori indurite che coprono le ali posteriori.

Il gene colorante identificato

I meccanismi genetici con cui questi modelli melanici sono creati e mantenuti nelle popolazioni di coccinelle rimangono in gran parte sconosciuti. È noto dal 1950 che le diverse forme di colore derivano da variazioni genetiche situate in una singola regione del genoma, che non era stata precedentemente caratterizzata. I nostri team di ricerca uniscono le forze, mettendo insieme le loro competenze in genomica della popolazione e biologia dello sviluppo, per affrontare questo problema. E i nostri sforzi hanno dato i loro frutti: abbiamo identificato l’origine genomica dei diversi modelli di colorazione nelle coccinelle arlecchino. In particolare, abbiamo identificato il gene che codifica tutte le istruzioni necessarie per disegnare i diversi motivi che decorano le ali anteriori delle coccinelle arlecchino. Questi risultati sono stati pubblicati nell’agosto 2018 sulla rivista Current Biology.

In primo luogo, abbiamo sequenziato il genoma completo della coccinella arlecchino. Quindi, per identificare la regione del genoma associata alla variazione del colore, abbiamo confrontato le sequenze del genoma di molte coccinelle arlecchino di diverse forme di colore provenienti da diverse popolazioni naturali in tutto il mondo. Questa analisi ha indicato una regione specifica del genoma, che comprendeva due geni vicini. La successiva inattivazione di ciascuno di questi due geni candidati ha identificato il gene pannier come responsabile della formazione di modelli neri sulle elitre.

Il gene pannier è stato scoperto per la prima volta nella mosca della frutta negli anni ‘ 80. In generale, i nomi dei geni si riferiscono, spesso con un pizzico di umorismo, alle malformazioni fisiche visibili quando questo gene è mutato. Per il gene pannier, è la forma dell’embrione mutante simile a una pannier che ha ispirato il suo nome ai genetisti che lo hanno scoperto. Sorprendentemente, in nessun altro insetto il gene pannier sembrava essere collegato alla produzione di modelli di colore. Successivamente, rivelando la posizione della proteina prodotta da questo gene, abbiamo dimostrato che pannier viene attivato (o espresso) durante la formazione delle elitre.

Più precisamente, il gene pannier è attivo in diverse popolazioni di cellule elitre che prefigurano esattamente dove apparirà la pigmentazione nera negli adulti. Pannier attiva quindi altri geni che assicurano collettivamente la produzione di pigmento nero da queste cellule e quindi la formazione delle macchie nere (in coccinelle “rosse”) o dello sfondo nero (in coccinelle “nere”). L’espressione del gene pannier è essa stessa controllata da sequenze di DNA regolatorie situate attorno al gene. Sono queste sequenze, che sono molto diverse nella loro composizione molecolare, che definiscono varianti del gene pannier associato alle diverse forme di colore. Le frequenze di queste varianti fluttuano tra le popolazioni, creando composizioni molto colorate all’interno delle popolazioni naturali della coccinella arlecchino in tutto il mondo.

In sintesi, i diversi modelli di colore nella coccinella arlecchino trovano la loro origine genetica nelle variazioni dell’attivazione spaziale di un singolo gene che orchestra la creazione di diversi modelli di melanizzazione delle elitre. In generale, questi risultati illustrano come le variazioni in un singolo gene (genotipi) possono, in alcuni casi, generare un’impressionante diversità di fenotipi.

Al di là dei colori

È stato a lungo sospettato che la colorazione di una coccinella, e quindi le variazioni del gene pannier, influenzino altri tratti coinvolti nella sopravvivenza e nella riproduzione di questo insetto. Pertanto, la distribuzione delle diverse forme di colorazione all’interno delle popolazioni potrebbe riflettere una risposta adattativa ai vincoli locali (ad esempio, vincoli climatici). In questo contesto, un’interessante osservazione può essere fatta, collegando il colore al carattere invasivo della coccinella arlecchino, che dalla sua area nativa in Asia, ha recentemente colonizzato i quattro continenti (Nord America, Sud America, Europa e Africa).

Sorprendentemente, la diversità delle forme di colore di H. axyridis è limitata nei continenti invasi. Nella maggior parte delle aree colonizzate (tranne che in Europa), è presente solo la forma non melanica (elitre rosse con circa 20 macchie nere). Ad oggi, non è stato possibile determinare se la quasi-fissazione di una forma monocolore nell’area invasa sia dovuta a contingenze storiche o demografiche (semplici effetti casuali), o ad un processo di selezione naturale che favorisce la forma non melanica durante l’invasione. I nostri risultati sulle regioni del genoma responsabili delle variazioni di colore possono permetterci di decidere tra queste due ipotesi.