Гены крыльев ответственны за необычный «шлем» крошечной цикадки: исследование
Цикадки (Membracidae) носят одни из самых впечатляющих «шлемов» в мире насекомых, хотя сами не больше кукурузного зерна. Их более 3000 видов по всему миру, отличающихся невероятным разнообразием форм выроста на переднеспинке (pronotum), который называют «шлемом». Его эволюционное происхождение долго оставалось загадкой.
Новое исследование учёных из Университета Коннектикута, опубликованное в Nature Ecology & Evolution, проливает свет на эту проблему.
Гипотезы и метод
Ведущий автор исследования, постдок Cera Fisher, изучала, как развивается этот уникальный трёхмерный вырост. Были три основные гипотезы:
- Шлем развивается по тем же генетическим путям, что и остальная стенка тела.
- Для его формирования «заимствуются» гены, связанные с развитием крыльев.
- В процессе участвуют гены, отвечающие за развитие ног.
Для проверки Fisher создала лабораторную колонию цикадки вида Entylia carinata и сравнила её с родственной цикадкой Homalodisca vitripennis, у которой переднеспинка плоская и типичная для насекомых. У обоих видов секвенировали РНК из разных частей тела, получив более миллиарда точек данных для анализа экспрессии генов.
Ключевое открытие
Анализ показал, что генетическая «подпись» шлема цикадки кардинально отличается от таковой у её плоской переднеспинки или переднеспинки родственного вида. Вместо этого гены, экспрессирующиеся в развивающемся шлеме, оказались наиболее похожи на гены, активные при развитии крыльев.
«На очень высоком уровне данные РНК указывают, что шлем использует множество тех же генов, что и крылья в процессе развития; он строится с помощью тех же генов», — пояснила Fisher.
Соавтор исследования, профессор Elizabeth Jockusch, отметила, что самым большим сюрпризом была масштабность этого эффекта. Генетический ландшафт, связывающий шлем с крыльями, был «подавляюще ясен». При этом у двух сравниваемых видов всё в экспрессии генов совпадало, как и ожидалось, за исключением шлема цикадки.
Значение и дальнейшие вопросы
Это исследование показывает случай резкой дивергенции серийных гомологов (повторяющихся частей тела). Шлем цикадки возник не путём постепенного накопления изменений, а благодаря «переразвёртыванию» (redeploying) целого набора генов, обычно работающих в другом месте (крылья), что привело к появлению принципиально новой структуры.
Исследование охватило только один вид цикадки на одной стадии развития. Работа будет продолжена: учёные планируют изучить экспрессию генов у нескольких видов цикадок на разных стадиях развития нимфы, а также добавить для сравнения ещё один вид — молочайного клопа.
Остаются открытые вопросы: какие именно ранние изменения запустили крылоподобную экспрессию генов в переднеспинке? И как, имея эту «крыльевую» генетическую программу, естественный отбор создал такое феноменальное разнообразие трёхмерных форм шлемов у цикадок?