Wat is het verschil tussen zwarte lieveheersbeestjes met rode vlekken en rode lieveheersbeestjes met zwarte vlekken? Kinderen – net als volwassenen-hebben zich ooit deze vraag gesteld. Wetenschappers ook. Sinds de jaren 20 van de vorige eeuw is er steeds meer onderzoek gedaan naar de gemeenschappelijke aanwezigheid van verschillende gekleurde patronen in insecten binnen dezelfde soort. Toonaangevende figuren in de evolutionaire biologie, zoals geneticus Theodosius Dobzhansky of ecoloog Michael Majerus, hebben er interesse in.

een van de bekendste gevallen van zwart pigment polymorfisme werd beschreven in de 19e eeuw in een vlinder, de bepeperde mot, met een verduisterd hele lichaam. Het is industrieel melanisme genoemd omdat de mutatie die het insect zwart maakte gelijktijdig was met de industriële revolutie in Engeland. Een roetkleurige vlinder heeft een betere kans om te overleven op een roet-vervuilde berk.

echter, bij de meeste insectensoorten die door melanisme worden aangetast, treedt alleen op bepaalde delen van het insectenlichaam donkerder op, waardoor discontinue en complexe zwarte patronen ontstaan. Dit is het geval met het Harlekijn lieveheersbeestje, Harmonia axyridis, ook bekend als het Aziatische lieveheersbeestje. Dit insect is een voorvechter van polymorfe melanische patronen met meer dan 200 kleurpatronen beschreven in natuurlijke populaties over de hele wereld. Deze vormen komen in wezen overeen met variaties in zwarte gebieden op een rode achtergrond op de dekschilden, de geharde voorvleugels die de achtervleugels bedekken.

het geà dentificeerde kleuringsgen

de genetische mechanismen waardoor deze melanische patronen in lieveheersbeestpopulaties worden gecreëerd en in stand gehouden, blijven grotendeels onbekend. Het is bekend sinds de jaren 1950 dat de verschillende kleurvormen het gevolg zijn van genetische variaties in een enkel gebied van het genoom, die niet eerder waren gekarakteriseerd. Onze onderzoeksteams bundelen hun krachten en bundelen hun expertise in populatiegenomica en ontwikkelingsbiologie om dit probleem aan te pakken. En onze inspanningen hebben vruchten afgeworpen: we hebben de genomische oorsprong van de verschillende kleuringspatronen in Harlekijn lieveheersbeestjes geïdentificeerd. In het bijzonder hebben we het gen geïdentificeerd dat alle instructies codeert die nodig zijn om de verschillende motieven te tekenen die de voorvleugels van de harlekijn lieveheersbeestjes versieren. Deze resultaten zijn in augustus 2018 gepubliceerd in het tijdschrift Current Biology.

eerst hebben we het volledige genoom van het Harlekijn lieveheersbeestje gesequenced. Vervolgens, om het gebied van het genoom geassocieerd met kleurvariatie te identificeren, vergeleken we de genoomsequenties van vele Harlekijn lieveheersbeestjes van verschillende kleurvormen afkomstig van verschillende natuurlijke populaties over de hele wereld. Deze analyse wees op een specifiek gebied van het genoom, dat twee naburige genen omvatte. De opeenvolgende inactivering van elk van deze twee kandidaatgenen identificeerde de Gen pannier als degene die verantwoordelijk is voor de vorming van zwarte patronen op de dekschilden.

De gen-pannier werd voor het eerst ontdekt in fruitvlieg in de jaren 1980. in het algemeen verwijzen de namen van genen, vaak met een vleugje humor, naar de fysieke misvormingen die zichtbaar zijn wanneer dit gen wordt gemuteerd. Voor de Gen-pannier is het de vorm van het mutantembryo, vergelijkbaar met een pannier die zijn naam inspireerde tot de genetici die het ontdekten. Verrassend genoeg bleek bij geen enkel ander insect de genentas verbonden te zijn met de productie van kleurpatronen. Vervolgens hebben we, door de locatie te onthullen van het eiwit dat door dit gen wordt geproduceerd, aangetoond dat pannier wordt geactiveerd (of tot expressie gebracht) tijdens de dekschildenvorming.

preciezer gezegd is de Gen-pannier actief in verschillende populaties van dekschildencellen die precies prefiguren waar de zwarte pigmentatie bij volwassenen zal verschijnen. Pannier activeert dan andere genen die gezamenlijk zorgen voor de productie van zwart pigment door deze cellen en dus de vorming van de zwarte vlekken (in “rode” lieveheersbeestjes) of de zwarte achtergrond (in “zwarte” lieveheersbeestjes). De uitdrukking van de Gen pannier wordt zelf gecontroleerd door regelgevende opeenvolgingen van DNA die rond het gen worden gevestigd. Het zijn deze sequenties, die zeer verschillend zijn in hun moleculaire samenstelling, die varianten van de Gen pannier bepalen die met de verschillende kleurvormen worden geassocieerd. De frequenties van deze varianten schommelen tussen populaties, waardoor zeer kleurrijke samenstellingen ontstaan binnen de natuurlijke populaties van het Harlekijn lieveheersbeestje over de hele wereld.

samengevat vinden de verschillende kleurpatronen in het Harlekijn lieveheersbeestje hun genetische oorsprong in variaties van de ruimtelijke activering van een enkel gen dat de totstandkoming van verschillende melanisatiepatronen van dekschilden orkestreert. In het algemeen illustreren deze resultaten hoe variaties in een enkel gen (genotypen) in sommige gevallen een indrukwekkende diversiteit aan fenotypen kunnen genereren.

buiten de kleuren

wordt al lang vermoed dat de kleuring van een lieveheersbeestje, en dus variaties in de genentas, invloed heeft op andere kenmerken die betrokken zijn bij het overleven en de voortplanting van dit insect. De verdeling van de verschillende kleurvormen binnen populaties zou dus een adaptieve reactie kunnen weerspiegelen op lokale beperkingen (bijvoorbeeld klimatologische beperkingen). In dit verband kan een interessante opmerking worden gemaakt, die de kleur koppelt aan het invasieve karakter van het Harlekijn lieveheersbeestje, dat uit zijn geboortestreek in Azië onlangs de vier continenten koloniseerde (Noord-Amerika, Zuid-Amerika, Europa en Afrika).

verrassend genoeg is de diversiteit aan kleurvormen van H. axyridis beperkt op binnengevallen continenten. In de meeste gekoloniseerde gebieden (behalve in Europa) is alleen de niet-melanische vorm (rode dekschilden met ongeveer 20 zwarte vlekken) aanwezig. Tot op heden was het niet mogelijk om te bepalen of de quasi-fixatie van een enkele kleurvorm in het binnengevallen gebied te wijten is aan historische of demografische gebeurtenissen (eenvoudige willekeurige effecten), of aan een natuurlijk selectieproces waarbij de niet-melanische vorm tijdens de invasie wordt bevoordeeld. Onze bevindingen over de gebieden van het genoom die verantwoordelijk zijn voor kleurvariaties kunnen ons toelaten om te kiezen tussen deze twee hypothesen.