Ongeveer tien jaar geleden bracht evolutiebioloog Richard Merrill enkele uren per dag door in "heet, stomend Panama", zittend in een kooi vol met Heliconius- vlinders, wachtend op seks.
"Klinkt glamoureus, toch?" Lacht hij.
Merrill hield bij of mannelijke hybride Heliconius- vlinders zouden flirten - in de vorm van zweven of jagen - met ofwel rood-gevleugelde Heliconius melpomene rosina- vlinders of wit-gevleugelde Heliconius cydno chioneus- vlinders. Hij documenteerde deze vlindervrijage om de partnervoorkeur van de hybriden te bestuderen, die hij en zijn team later op een genetisch niveau zouden onderzoeken.
In de natuur zijn hybride Heliconius- vlinders zeldzaam. Heliconius melpomene en Heliconius cydno zijn beide zeer giftig, hebben zich ontwikkeld om hun eigen cyanide te produceren, en roofdieren hebben precies geleerd hoe beide giftige insecten eruit zien. Als de twee soorten echter kruisen, wordt hun vleugelpatroon een desoriënterende combinatie van beide kleurenpatronen, waardoor de hybride vlinders een opvallend doelwit zijn voor predatie. Als gevolg hiervan eindigt het leven van de hybriden vaak voordat ze kunnen fokken.
In een artikel dat gisteren in het tijdschrift PLOS Biology is gepubliceerd, hebben Merrill en zijn collega's voor het eerst bevestigd dat het preferente paringsgedrag bij deze vlinders inderdaad in hun DNA is geschreven. In het bijzonder vond zijn team slechts drie delen van het genoom die ten minste 60 procent van het stuurgedrag bepalen.
"Het illustreert dat een complex gedrag zoals de voorkeur van een partner geassocieerd kan worden met slechts drie regio's van het genoom, " zegt Erica Westerman, een evolutionair bioloog aan de Universiteit van Arkansas, die niet bij het onderzoek betrokken was. “Dit is iets waarvan gedacht wordt dat het geassocieerd wordt met veel delen van het genoom. Het stelt ons in staat om een gerichte aanpak te volgen om te zien hoe deze genen het gedrag van deze vlinders beïnvloeden. ”
Hier de twee soorten - Heliconius cydno, links, en Heliconius melpomene, rechts - hof in een insectarium. Het is heel ongewoon in het wild, maar wetenschappers kunnen hen ertoe brengen om het in gevangenschap te doen. (Luca Livraghi) Precies hoe deze twee Heliconius- vlinders afzonderlijke soorten blijven, is nog steeds iets van een mysterie. Speciatie, of het proces van het creëren van een nieuwe soort, is eenvoudig te verklaren wanneer er geografische grenzen zijn, zoals bergen, om een enkele soort fysiek in twee te delen. Wat wetenschappers verbaast, is dat H. melpomene en H. cydno al meer dan een miljoen jaar in dezelfde ecosystemen naast elkaar leven en strijden om dezelfde hulpbronnen. Toch blijven de kleurrijke, giftige vlinders twee afzonderlijke soorten, die weigeren te paren en hun genetische eigenschappen samen te voegen.
Het is een perfecte demonstratie van een biologisch concept dat reproductieve isolatie wordt genoemd, waardoor Heliconius vlinders al meer dan 100 jaar belangrijke onderwerpen zijn voor evolutionaire studies. Wetenschappers veronderstellen dat reproductieve isolatie in sommige gevallen wordt gehandhaafd door krachtige assortative paring, wat betekent dat een organisme zich alleen zal voortplanten met een partner die op hen lijkt. Daarom is de barrière die hen scheidt niet de omgeving, maar eerder genetisch.
Merrill, die nu is gevestigd aan de Ludwig Maximilian Universiteit van München, en collega's gebruikten een methode die laat zien welke delen van het genoom het grootste effect hebben op het paringsgedrag, maar ze hebben niet de exacte genen bepaald. Desondanks was hun analyse duidelijk genoeg om aan te tonen dat een van de drie regio's die de voorkeur voor paren beïnvloedt, in de buurt is van een gen dat optix wordt genoemd, waarvan bekend is dat het de levendige rode vleugelpatronen in H. melpomene controleert . ( Optix heeft zo'n sterke invloed op kleur dat het in- en uitschakelen met behulp van het gen-bewerkingsprogramma CRISPR de vleugels van een vlinder volledig kleurloos kan maken.) In feite is dit genetische gebied slechts 1, 2 centiGorgans - eenheden die worden gebruikt om de afstand te meten tussen genen op een chromosoom - weg van het optix- gen.
Het feit dat de genetische tekenreeksen die de voorkeur van de partner bepalen zo dicht bij optix liggen, het gen dat de vleugelpatronen creëert en enkele andere visuele aanwijzingen, heeft opwindende implicaties voor onderzoekers die de evolutie van gedrag zoals paringsvoorkeur bestuderen.
Een Heliconius melpomene rosina vlinder rust op een bloem. (Richard Merrill) "[Deze studie] geeft veel inzicht in hoe voorkeuren en voorkeuren fysiek zijn gekoppeld, " zegt evolutiebioloog Susan Finkbeiner van de Universiteit van Chicago, die niet bij de studie was betrokken. Het onderzoek ondersteunt het idee "dat het voorkleurenpatroon en de voorkeur voor die specifieke voorkleuren met elkaar samenhangen."
Als het paringsgedrag en de gewenste eigenschap inderdaad fysiek verstrikt zijn op een enkel chromosoom, dan zouden ze beide gemakkelijk worden doorgegeven aan de volgende generatie, met behoud van een soort genetische barrière tussen de twee soorten. "We kunnen evolutie van nieuwe soorten hebben zonder fysieke barrières op te roepen, zoals zeeën of bergen, " zegt Merrill.
Een tweede onderzoek toonde aan dat, hoewel hybride overleven zeldzaam is, het de afgelopen miljoen jaar genoeg is gebeurd dat deze twee vlinders tien keer meer genetisch materiaal delen dan mensen en Neanderthalers. Zelfs een paar kruising evenementen, zo lijkt het, kan een sterk effect hebben op de genetica.
Het onderzoek, geleid door evolutionair bioloog Simon Martin van de Universiteit van Cambridge, gebruikte hele genoomsequencing van negen populaties van Heliconius om gebieden van het DNA van de vlinders aan te wijzen waar hybridisatie en natuurlijke selectie de genetica van het organisme in de loop van de tijd hebben beïnvloed. Het feit dat de soort ondanks visueel verschillende genomen zo verschillend blijft, bevestigt opnieuw hoe krachtig evolutionaire krachten zijn in het vormgeven van de levensboom.
"Er is niet slechts één evolutionair pad, " zegt Martin. “Het is een netwerk of een web. Maar mijn onderzoek toont aan dat het voorspelbaar is. Er is een mooi voorspelbaar patroon in dit complexe web van het leven. "
Uiteindelijk versterken de resultaten van Martin, ook gepubliceerd in PLOS Biology, de bevindingen van Merrill, wat aantoont dat de twee soorten gescheiden blijven vanwege de sterke genetische barrières in hun DNA die zijn ontstaan door natuurlijke selectie - barrières zoals de verbinding tussen optix en reproductieve voorkeur. Deze band tussen vleugelkleur en partnervoorkeur kan zelfs bij hybride vlinders niet verloren gaan, omdat de twee genetische eigenschappen zo nauw met elkaar verbonden zijn - mogelijk zelfs aangedreven door dezelfde genen. Dergelijke genetische barrières maken speciatie voorspelbaar ondanks aanwijzingen voor historische hybridisatie-gebeurtenissen.
"Er is voorspelbaarheid vanwege natuurlijke selectie, " zegt Martin. "Het is niet alleen bij het creëren van soorten, maar ook bij het bepalen welke genen worden doorgegeven en welke niet [dat] de rol van natuurlijke selectie in de evolutie verhoogt."
Als volgende stap hoopt Merrill de precieze genen te vinden die ten grondslag liggen aan dit vleugel-kleurvoorkeurgedrag. Hij denkt na over het gebruik van machine learning en videocamera's zodat het team de volgende keer meer gegevens kan verzamelen.
"We proberen methoden te ontwikkelen om dit proces te automatiseren, " zegt Merrill. Als het team zich eenmaal op specifieke genen heeft gericht, kunnen ze CRISPR gebruiken om knock-outstudies te doen en te observeren hoe vlinders zich gedragen zonder de genen waarvan wordt gedacht dat ze hun gedrag beheersen.
Zonder de genen die de kieskeurige vleugelkleurvoorkeur van Heliconius- vlinders regelen, zijn de twee afzonderlijke soorten misschien eerder geneigd om met elkaar te paren. Om er zeker van te zijn, moet Merrill misschien teruggaan naar de vlinderkooi van het Smithsonian Tropical Research Institute en wachten om te zien of hij eventuele interspeciesinsecten kan vangen. Hoewel hij het niet erg zou vinden.
"Er is nergens anders ter wereld dat je deze studie had kunnen doen", zegt hij.
