Mroczna genetyczna przeszłość ćmy pierzastej ujawniona

Analiza genetyczna odkrywa tajemnice jednego z najbardziej znanych przykładów selekcji naturalnej – ciemnej formy ćmy pieprzowej, która szybko rozprzestrzeniała się w dziewiętnastowiecznej Wielkiej Brytanii w przemysłowym, słonym środowisku.

Ilik Saccheri, biolog ewolucyjny z University of Liverpool, UK, i jego koledzy użyli genetyki molekularnej, aby pokazać, że jedna mutacja od pojedynczego przodka powoduje zwiększoną ciemną pigmentację, zwaną melanizmem, w typowo jasnej ćmie. Ich wyniki zostały opublikowane dzisiaj w Science1.

„To wielki przełom, jeśli chodzi o melanizm przemysłowy ćmy pieprzowej”, mówi Laurence Cook, emerytowany genetyk populacji z University of Manchester, UK, który badał ćmę pieprzową od lat 60. „Byliśmy dalej przez bardzo długi czas wiedząc tylko klasyczny Mendelian genetyki.”

Typowa forma peppered moth (Biston betularia) ma jasne kolorowe skrzydła nakrapiane małymi ciemnymi plamkami, kamuflaż dobrze przystosowany do ukrywania się przed drapieżnymi ptakami na korze brzozy wspólne dla ich siedliska. Ale po rewolucji przemysłowej zarówno w Wielkiej Brytanii i Ameryce Północnej, powietrze stało się zanieczyszczone ciemną sadzą, która pokryła wiele powierzchni, w tym drzew.

To było wtedy, że ciemna forma ćmy pieprzowej widział boom populacji, prawdopodobnie dlatego, że drapieżne ptaki nie mógł zobaczyć go wyraźnie na tle powierzchni sadzy i zjadł jasny kolor formularza zamiast. Kiedy przepisy zmniejszyły zanieczyszczenie powietrza w latach 70-tych, ciemne populacje ćmy zaczęły spadać, a jaśniejsza forma odrodziła się.

Tak oczywiste zmiany populacji w stosunkowo krótkim czasie uczyniły z ćmy pieprzowej podręcznikowy przykład doboru naturalnego, ale genetyczna podstawa wzrostu i upadku ciemnej formy nie została zrozumiana. Poprzednie dowody2 pokazują, że ciemne ubarwienie nie jest związane z żadną z genetycznych ścieżek, o których już wiadomo, że powodują melanizm u owadów, i nie było jasne, czy ciemna forma ćmy pojawiła się kilka razy, czy tylko raz.

Pasujące cechy

Zespół Saccheri’ego użył techniki genetycznej zwanej mapowaniem powiązań w celu znalezienia odpowiedzialnego za to genu. Mapa powiązań umieszcza cechy w grupach w zależności od tego, jak często są one przekazywane do następnego pokolenia razem, co wskazuje, jak blisko siebie znajdują się na chromosomie. Im bliżej cechy znajdują się w sekwencji genetycznej, tym mniej prawdopodobne jest, że zostaną rozdzielone podczas podziału komórek płciowych i tym bardziej prawdopodobne jest, że zostaną przekazane razem.

Aby stworzyć mapę, Saccheri i jego koledzy dwukrotnie skrzyżowali ciemnego samca ćmy z jasną samicą; w rezultacie otrzymali 132 potomków o różnych cechach. Cechy najczęściej dziedziczone wraz z ciemnym ubarwieniem zostały dopasowane do genów jedwabnika (Bombyx mori) – blisko spokrewnionego gatunku ćmy z sekwencjonowanym genomem.

Lokalizacje genów dla cech wskazały na wąski region na chromosomie 17, gdzie naukowcy twierdzą, że jeden wariant genu jest prawdopodobnie odpowiedzialny za melanizm ćmy pieprzowej, choć nie wiedzą jeszcze dokładnie, który to wariant.

Po zidentyfikowaniu regionu chromosomu, naukowcy zbadali próbki ćmy zebrane w całej Wielkiej Brytanii między 1925 a 2009 rokiem. Ta sama grupa wariantów genów huddled w regionie chromosomów najbliżej mutacji w ciemnych ćmy, zapewniając silne dowody, że dobór naturalny działał niedawno na korzystnej mutacji z jednego osobnika. Jeśli mutacja była w populacji przez dłuższy czas, lub pochodziła od wielu osobników, dobór cech, które były dziedziczone razem, różniłby się bardziej szeroko.

„To nie tylko jedna mutacja, która została przetoczona przez populację, to cały kawałek chromosomu, który podróżował autostopem”, mówi Saccheri.

Teraz, gdy badacze zamknęli się w regionie chromosomu, mogą użyć sekwencjonowania genetycznego do poszukiwania genu odpowiedzialnego za melanizm ćmy pieprzowej, a następnie określić jego szerszą funkcję. Mogą również porównać go z tym samym genem w północnoamerykańskich ćmach pieprzowych i zobaczyć, czy ta sama mutacja jest odpowiedzialna za równoległy wzrost i spadek ciemnej ćmy tam.

W dodatku, kilka genów motyli, które kontrolują kolor znajdują się w tym samym regionie chromosomu co mutacja melanizmu, więc badacze mogą być na jeszcze niezidentyfikowany pigmentu kontrolowania ścieżki wspólne dla ćmy i motyle, mówią.

Większe zrozumienie genetyki ćmy pieprzowej „uzupełni pakiet” badań nad „najlepszym przykładem adaptacji z udziałem doboru naturalnego, który mamy”, mówi Bruce Grant, emerytowany genetyk populacyjny z College of William and Mary w Williamsburgu, Wirginia.