Гены, контролирующие развитие ротового аппарата, — ключ к разнообразию насекомых

Исследование под руководством Университета Нагои раскрыло функции генов, контролирующих развитие ротового аппарата, в формировании увеличенных мандибул (жвал) у жука-оленя.

Эволюционный успех насекомых, в частности, связан с их способностью заполнять различные экологические ниши. Один из способов — развитие разнообразных ротовых аппаратов. Мандибулы могут быть сильно модифицированы, как увеличенные жвалы жуков-оленей, используемые для борьбы. Однако молекулярные механизмы их увеличения были плохо изучены.

Японско-американское исследование, координируемое Университетом Нагои, пролило свет на генетический контроль развития жвал жука-оленя. Исследование опубликовано в Developmental Biology.

Развитие придатков (конечностей, ротовых частей) контролируется серией высококонсервативных генов. Учёные использовали метод молекулярного нокдауна (подавления экспрессии) для последовательного "выключения" семи таких генов, чтобы изучить их функцию в развитии и увеличении жвал.

Ключевая роль гена dachshund (dac)

Ген dachshund (dac), контролирующий развитие средней части придатков у Drosophila и других насекомых, оказал наибольшее влияние на развитие жвал из всех семи проанализированных генов.

"Нокдаун гена dac значительно уменьшил размер жвал у самцов, но не у самок жука-оленя, и повлиял на морфологию жвал у обоих полов", — говорит автор-корреспондент Хироки Гото. — "У животных с нокдауном не развивались зазубренные зубцы, характерные для всех самцов, а также отсутствовали внутренние зубцы, характерные для крупных самцов".

Роль других генов и гормональный контроль

Гены aristaless (al) и homothorax (hth) также показали важную роль в развитии внутренних зубцов. Однако нокдаун гена Distal-less (Dll), функционального в дистальных областях, не повлиял на развитие жвал. Это подтверждает, что насекомые рано в эволюции утратили самые дистальные части мандибул.

Известно, что увеличение жвал у самцов регулируется ювенильным гормоном: у более крупных самцов жвалы непропорционально больше.

"Мы наблюдали специфическую для размера связь с функциями генов dac, al и hth в исследованиях с нокдауном", — добавляет Гото. — "Это предполагает, что эти гены контролируют свою функцию с помощью зависящего от размера фактора — скорее всего, ювенильного гормона".

Эволюционные выводы

Генетический нокдаун также показал, что семь генов в значительной степени контролировали развитие ног жука-оленя высококонсервативным образом, но их роли в формировании антенн были более разнообразными. Эти консервативные функции одних генов и вариативные роли других, вероятно, способствовали эволюции ротовых аппаратов у разных видов насекомых.