Het duistere genetische verleden van de pepermot onthuld

Een genetische analyse ontrafelt de mysteries van een van de bekendste voorbeelden van natuurlijke selectie – de donkere vorm van de pepervlinder, die zich snel verspreidde in de industriële, roetrijke omgeving van het negentiende-eeuwse Groot-Brittannië.

Ilik Saccheri, een evolutiebioloog aan de Universiteit van Liverpool in het Verenigd Koninkrijk, en zijn collega’s hebben met behulp van moleculaire genetica aangetoond dat één mutatie van één enkele voorouder leidt tot een toename van donker pigment, melanisme genaamd, bij de typisch lichtgekleurde mot. Hun resultaten zijn vandaag gepubliceerd in Science1.

“Het is een grote doorbraak wat betreft het industriële melanisme van de pepervlinders,” zegt Laurence Cook, een gepensioneerd populatiegeneticus van de Universiteit van Manchester in het Verenigd Koninkrijk, die de pepervlinders sinds de jaren zestig heeft bestudeerd. “

De typische vorm van de pepermot (Biston betularia) heeft lichtgekleurde vleugels gespikkeld met kleine donkere vlekken, een camouflage die goed geschikt is om zich te verbergen voor roofvogels op de schors van de berkenbomen die hun habitat zijn. Maar na de industriële revolutie in zowel Groot-Brittannië als Noord-Amerika werd de lucht vervuild met donker roet, dat vele oppervlakken bedekte, ook bomen.

Het was toen dat een donkere vorm van de pepermot een populatie-explosie doormaakte, waarschijnlijk omdat roofvogels hem niet goed konden zien tegen roetachtige oppervlakken en in plaats daarvan de lichtgekleurde vorm opaten. Toen in de jaren zeventig de luchtvervuiling door regelgeving werd teruggedrongen, begon de populatie van de donkere mot te dalen en nam de lichtere vorm weer toe.

Dergelijke duidelijke populatieveranderingen in een relatief korte periode hebben van de pepermot een schoolvoorbeeld van natuurlijke selectie gemaakt, maar de genetische basis van de opkomst en ondergang van de donkere vorm is niet begrepen. Uit eerdere gegevens2 blijkt dat de donkere kleur niet geassocieerd is met een van de genetische routes waarvan reeds bekend is dat ze melanisme bij insecten veroorzaken, en het was onduidelijk of de donkere vorm van de mot meerdere keren of slechts één keer was ontstaan.

Eigenschappen koppelen

Saccheri’s team gebruikte een genetische techniek die linkage mapping wordt genoemd om het verantwoordelijke gen te zoeken. Een linkage map plaatst eigenschappen in groepen op basis van hoe vaak ze samen worden doorgegeven aan de volgende generatie, wat aangeeft hoe dicht ze bij elkaar zitten op een chromosoom. Hoe dichter de kenmerken bij elkaar in de genetische reeks liggen, hoe kleiner de kans dat ze tijdens de geslachtsceldeling worden gescheiden, en hoe groter de kans dat ze samen worden doorgegeven.

Om de kaart te maken kruisten Saccheri en zijn collega’s twee keer een donker mannetje met een lichtgekleurd vrouwtje; het resultaat waren 132 nakomelingen met uiteenlopende eigenschappen. De eigenschappen die het vaakst samen met de donkere kleur werden geërfd, werden vergeleken met genen van de zijderups (Bombyx mori) – een nauw verwante mottensoort met een gesequenteerd genoom.

De locaties van de genen voor de kenmerken wezen op een smalle regio op chromosoom 17, waar volgens de wetenschappers waarschijnlijk één enkele genvariant verantwoordelijk is voor het melanisme van de pepermot, hoewel ze nog niet precies weten welke dat is.

Toen de chromosoomregio eenmaal was geïdentificeerd, onderzochten de onderzoekers mottenmonsters die tussen 1925 en 2009 in heel Groot-Brittannië waren verzameld. Dezelfde groep genvarianten bevond zich in de chromosoomregio die het dichtst bij de mutatie in de donkere motten lag, wat sterk bewijs leverde dat natuurlijke selectie recentelijk had gereageerd op een voordelige mutatie van één individu. Als een mutatie al langer in de populatie aanwezig was, of afkomstig was van meerdere individuen, zou de selectie van eigenschappen die samen werden overgeërfd meer variëren.

“Het is niet alleen die ene mutatie die door de populatie is geslingerd, het is dat hele stuk chromosoom dat is meegelift,” aldus Saccheri.

Nu de onderzoekers een chromosoomgebied hebben gevonden, kunnen ze met behulp van genetische sequencing op zoek gaan naar het gen dat verantwoordelijk is voor het melanisme van de pepermot, en vervolgens de bredere functie ervan bepalen. Zij kunnen het ook vergelijken met hetzelfde gen in Noord-Amerikaanse pepermotten en zien of dezelfde mutatie verantwoordelijk is voor de parallelle opkomst en ondergang van de donkere mot daar.

Bovendien worden enkele vlindergenen die de kleur regelen in dezelfde chromosoomregio gevonden als de melanismutatie, zodat de onderzoekers wellicht op het spoor zijn van een nog niet geïdentificeerd pigment-regelend pad dat zowel bij nachtvlinders als bij vlinders voorkomt, zeggen ze.

Een beter begrip van de genetica van de pepermot zal “het pakket compleet maken” van het onderzoek naar “het beste voorbeeld van aanpassing met natuurlijke selectie dat we hebben”, zegt Bruce Grant, een gepensioneerd populatiegeneticus van het College of William and Mary in Williamsburg, Virginia.