Jaka jest różnica między czarnymi biedronkami z czerwonymi plamkami a czerwonymi biedronkami z czarnymi plamkami ? Dzieci – podobnie jak dorośli-kiedyś zadały sobie to pytanie. Tak jak naukowcy. Od lat dwudziestych XX wieku coraz więcej prac nad powszechną obecnością wyraźnych kolorowych wzorów u owadów tego samego gatunku. Interesowali się nim czołowi przedstawiciele biologii ewolucyjnej, tacy jak genetyk Theodosius Dobzhansky czy ekolog Michael Majerus.

jeden z najbardziej znanych przypadków polimorfizmu czarnej pigmentacji został opisany w XIX wieku u motyla, ćmy pieprzowej, o ciemniejszym całym ciele. Został on nazwany melanizmem przemysłowym, ponieważ mutacja, która uczyniła owada czarnym, towarzyszyła rewolucji przemysłowej w Anglii. Motyl o zabarwieniu sadzy ma większe szanse na przeżycie na zanieczyszczonej sadzą Brzozie.

jednak u większości gatunków owadów dotkniętych melanizmem ciemnienie pojawia się tylko na niektórych częściach ciała owadów, tworząc nieciągłe i złożone czarne wzory. Tak jest w przypadku biedronki arlekinowej, Harmonia axyridis, znanej również jako Biedronka Azjatycka. Owad ten jest mistrzem polimorficznych wzorów melanicznych z ponad 200 formami wzorów barwnych opisanymi w naturalnych populacjach na całym świecie. Kształty te odpowiadają zasadniczo wariacjom w czarnych obszarach na czerwonym tle na elytrze, utwardzonych przodkach pokrywających hindwings.

Gen barwiący zidentyfikował

mechanizmy genetyczne, dzięki którym powstają i utrzymują się te wzorce melaniczne w populacjach biedronek, pozostają w dużej mierze nieznane. Od lat pięćdziesiątych XX wieku wiadomo, że różne formy barwne wynikają z różnic genetycznych zlokalizowanych w jednym regionie genomu, które wcześniej nie były scharakteryzowane. Nasze zespoły badawcze łączą siły, łącząc swoją wiedzę w zakresie genomiki populacji i biologii rozwoju, aby rozwiązać ten problem. Nasze wysiłki się opłaciły: zidentyfikowaliśmy genomowe pochodzenie różnych wzorów ubarwienia u biedronek arlekinów. W szczególności zidentyfikowaliśmy gen, który koduje wszystkie instrukcje niezbędne do narysowania różnych motywów, które zdobią przednie arlekiny biedronki. Wyniki te zostały opublikowane w sierpniu 2018 roku w czasopiśmie Current Biology.

najpierw zsekwencjonowaliśmy kompletny Genom biedronki arlekiny. Następnie, aby zidentyfikować region genomu związany ze zmiennością kolorów, porównaliśmy sekwencje genomu wielu biedronek arlekinów o różnych formach barwnych pochodzących z kilku naturalnych populacji na całym świecie. Analiza ta wskazała na specyficzny region genomu, który obejmował dwa sąsiednie geny. Sukcesywna inaktywacja każdego z tych dwóch genów kandydujących zidentyfikowała Gen panniera jako ten odpowiedzialny za powstawanie czarnych wzorów na elytrze.

Sakwa genowa została po raz pierwszy odkryta u muszek owocowych w latach 80. XX wieku.ogólnie nazwy genów odnoszą się, często z odrobiną humoru, do fizycznych wad rozwojowych widocznych podczas mutacji tego genu. W przypadku sakwy genowej jest to kształt zmutowanego embrionu podobny do sakwy, który zainspirował jego nazwę do genetyków, którzy go odkryli. Co zaskakujące, u żadnego innego owada nie stwierdzono związku genu z wytwarzaniem wzorców barwnych. Następnie, ujawniając lokalizację białka produkowanego przez ten gen, wykazaliśmy, że pannier jest aktywowany (lub wyrażany) podczas tworzenia elytry.

dokładniej rzecz ujmując, Gen pannier jest aktywny w różnych populacjach komórek elytra, które dokładnie zapowiadają, gdzie czarna pigmentacja pojawi się u dorosłych. Pannier aktywuje następnie inne geny, które wspólnie zapewniają produkcję czarnego pigmentu przez te komórki, a tym samym tworzenie czarnych plam (u” czerwonych „biedronek) lub czarnego tła (u” czarnych ” biedronek). Ekspresja genu jest kontrolowana przez regulatorowe sekwencje DNA zlokalizowane wokół genu. To właśnie te sekwencje, które są bardzo różne w swoim składzie molekularnym, definiują warianty genu związanego z różnymi formami barw. Częstość występowania tych wariantów waha się między populacjami, tworząc bardzo barwne kompozycje w obrębie naturalnych populacji biedronki arlekiny na całym świecie.

podsumowując, różne wzorce barwne w Biedronce arlekiny znajdują swoje genetyczne pochodzenie w wariantach przestrzennej aktywacji pojedynczego genu, który koordynuje tworzenie różnych wzorców melanizacji elytry. Ogólnie rzecz biorąc, wyniki te ilustrują, w jaki sposób różnice w jednym genie (genotypach) mogą w niektórych przypadkach generować imponującą różnorodność fenotypów.

poza kolorami

od dawna podejrzewano, że ubarwienie biedronki, a co za tym idzie różnice w genach, wpływają na inne cechy związane z przetrwaniem i rozmnażaniem tego owada. Tak więc rozmieszczenie różnych form ubarwienia w populacjach może odzwierciedlać adaptacyjną reakcję na lokalne ograniczenia (na przykład ograniczenia klimatyczne). W tym kontekście można zwrócić uwagę na interesujący związek koloru z inwazyjnym charakterem biedronki arlekiny, która ze swojego rodzimego obszaru w Azji skolonizowała ostatnio cztery kontynenty (Amerykę Północną, Amerykę Południową, Europę i Afrykę).

Co zaskakujące, różnorodność form barwnych H. axyridis jest ograniczona na najeżdżanych kontynentach. Na większości skolonizowanych obszarów (z wyjątkiem Europy) występuje tylko forma Nie-melaniczna (czerwona elytra z około 20 czarnymi plamami). Do tej pory nie udało się ustalić, czy quasi-fiksacja formy jednokolorowej na zaatakowanym obszarze jest spowodowana nieprzewidzianymi okolicznościami historycznymi lub demograficznymi (proste efekty losowe), czy też procesem doboru naturalnego faworyzującym formę nie-melańską podczas inwazji. Nasze wyniki badań nad regionami genomu odpowiedzialnymi za zmiany kolorów mogą pozwolić nam na podjęcie decyzji pomiędzy tymi dwiema hipotezami.