Ученые раскрыли генетический путь, окрашивающий полосы шмелей
Хотя большинство людей в США представляют шмелей стандартными желто-черными, существует около 260 видов этих пчел с примерно 400 различными цветовыми узорами. Одна из причин — мимикрия, когда эволюция заставляет несколько видов в определенном географическом регионе иметь сходную окраску, чтобы предупреждать хищников о возможном болезненном укусе. В разных частях мира пчелы используют палитру черного, оранжевого, красного, желтого и белого для создания этого общего сигнала.
Теперь исследователи больше узнают о роли эволюционной генетики в формировании отличительных цветовых узоров, придающих разным видам пчел их региональный колорит.
В исследовании сообщается, как Hox-ген (основной регуляторный ген развития, определяющий идентичность структур на сегментах тела пчелы) активирует сложный набор нижестоящих генов, которые в конечном итоге приводят к сегментарным изменениям пигментации.
"В предыдущей работе мы не могли объяснить, как изменение Hox-гена под названием Abdominal-B приводит к изменению пигментов, окрашивающих этих пчел", — сказал Хайнс. "В этой конкретной статье мы пытались заполнить этот пробел и понять, на какие гены нацелен этот первый ген, и каков каскад событий, который в конечном итоге приводит к этим миметическим цветовым различиям".
Исследователи, сообщившие о своих выводах в недавнем выпуске Genome Biology and Evolution, обнаружили, что геномное таргетирование основного гена развития позволяет изменять несколько генов меланина, а не только один конкретный фермент, чтобы усилить эти цветовые признаки. Они также отметили, что исследование расширяет знания о генах, участвующих в производстве пигмента феомеланина. Этот пигмент был известен своим участием в красной окраске у позвоночных, но лишь недавно был обнаружен у насекомых.
По словам Хайнса, предстоит еще много работы по пониманию эволюционной генетики этих пчел. "Понимая эти гены, мы теперь можем изучать множество различных видов пчел и то, как они диверсифицировались", — сказал Хайнс. "Так что это не тот случай, когда мы закончили здесь, и все готово. Учитывая разнообразие этих пчел, с этим открытием можно сделать гораздо больше. Это действительно только первый шаг".
Это одно из немногих исследований, изучающих гены окраски вне хорошо изученных модельных организмов. Изучение немодельных систем позволяет понять эволюцию некоторых из самых исключительных диверсификаций формы в природе, таких как эта цветовая радиация.
"Это действительно дополняет немодельные эволюционно-генетические исследования, — сказал Хайнс. — По мере продвижения вперед исследователи будут изучать, как гены и генетические пути эволюционировали в более широком разнообразии видов".
Вычислительно затратное исследование: на помощь приходит ROAR
"Использование высокопроизводительных вычислений сделало этот тип исследований более управляемым и воспроизводимым", — сказал Сарток Рахман, первый автор исследования.
Исследователи использовали суперкомпьютер Roar Института вычислительных и информационных наук (ICDS) для проведения исследований экспрессии генов у пчел.
"Мы провели секвенирование в Genomics Core Facility, а затем в основном использовали операционный сервер для анализа дифференциальной экспрессии генов. Поскольку это немодельный организм, нам также пришлось использовать другие геномные источники, например, из Drosophila и мышей, для поиска генов и определения их идентичности", — сказал Рахман. "Эти анализы могут быть довольно вычислительно затратными и заняли бы много времени, если бы выполнялись на обычном ноутбуке или настольном компьютере, поэтому мы использовали суперкомпьютерные мощности ICDS для этой статьи и предыдущей".