Как гусеницы обзавелись пухлыми ногами? Учёные связали их происхождение с генетической программой ракообразных
Взрослые насекомые, включая бабочек и мотыльков, обычно имеют только три пары ног. Но наличие у гусениц дополнительных ног — пухлых брюшных придатков, известных как «ложные ноги» (prolegs) — долгое время оставалось эволюционной загадкой. Недавнее исследование учёных из Национального университета Сингапура (NUS) связало этот новый признак с ракообразными.
Гусеницы используют ложные ноги, чтобы цепляться за ветки и листья, а свои грудные, или «истинные», ноги — чтобы удерживаться за другие части растения во время питания.
«Три основные теории о ложных ногах предполагали, что они могут быть видоизменёнными грудными ногами, совершенно новыми признаками или видоизменёнными лопастями (энддитами) примитивных грудных ног», — пояснила профессор Антония Монтейру, руководившая группой исследователей.
«Наше исследование предполагает, что ложные ноги действительно являются новыми признаками, не связанными с грудными ногами. Однако они происходят из генетической программы, которая определяет лопасти, изначально обнаруженные в проксимальной области конечностей ракообразных, но остававшиеся неактивными в этой области конечностей миллионы лет».
Результаты работы опубликованы в журнале Science Advances.
Ложные ноги — не видоизменённые грудные ноги
Ведущий автор статьи, доктор Юдзи Мацуока, провёл эксперименты, нарушая работу специфического Hox-гена abdominal A в различных частях брюшка личинок бабочки Bicyclus anynana, где расположены ложные ноги.
Полное нарушение работы гена привело к отсутствию ложных ног, тогда как частичное нарушение только в самых латеральных частях привело к удивительному развитию двух различных признаков в брюшке — и ложных ног, и видоизменённой версии грудных ног. Результаты указывают, что эти два признака возникают из разных мест в теле и не могут быть одним и тем же признаком.
«Исчезновение ложных ног из-за нарушения этого Hox-гена указало, что ген играет важную роль в инициации их развития, тогда как появление видоизменённых грудных ног (замаскированных под тип секреторной железы при нарушении гена) показало, что Hox-ген подавлял эти признаки», — сказал доктор Мацуока. Это означает, что в брюшке бабочек и мотыльков потенциально могут сосуществовать два признака: ложные ноги при активном гене и железы (видоизменённые грудные ноги) при неактивном гене.
Доктор Сурия Муругесан провёл дальнейший анализ, чтобы определить сходство между ложными ногами и другими признаками. Он изолировал генетический «чертёж» различных белков — матричные РНК (mRNAs) — из различных придатков тела гусениц, включая рога, части ротового аппарата, ноги и (личиночные) крылья.
Он обнаружил, что набор mRNAs, экспрессируемых в ложных ногах, довольно сильно отличался от такового в грудных ногах и был наиболее похож на набор, найденный в головных рогах, что является ещё одним новым признаком у бабочек и мотыльков.
Признак, чаще ассоциируемый с ракообразными
Учёные обнаружили, что некоторые гены, уникально экспрессируемые в ложных ногах, являются известными маркерными генами для энддитов. Энддиты — это части придатков, которые сегодня чаще всего встречаются в бирамных (двуветвистых) ногах ракообразных.
Хотя эти энддиты до сих пор встречаются в ротовых частях насекомых, включая бабочек, их наличие в ложных ногах подчёркивает интригующую эволюционную связь.
Профессор Монтейру объяснила: «Эволюция грудной конечности насекомых довольно сложна. Ископаемые кембрийского периода указывают, что конечности возникли как придатки с одной осью роста. Со временем они стали бирамными и срослись у своего основания. Впоследствии у них развились обращённые внутрь лопасти близко к стенке тела, называемые энддитами».
«В некоторых линиях насекомых грудная конечность вернулась к унирамной структуре и потеряла эти энддиты. Генетическая программа для этих энддитов, которая так и не была полностью стёрта из генома, по-видимому, была реактивирована в брюшке гусениц».
Профессор добавила: «Это эволюционная история, где сложность конечностей постепенно развивалась в кембрийский период. Некоторые добавления к конечности, такие как эти энддиты, развили свою собственную отличную генетическую программу».
«По мере прогресса эволюции и превращения пресноводных ракообразных в наземных насекомых, конечности упростились, и эти энддиты были удалены из некоторых частей тела насекомых, но не из других. У бабочек и мотыльков энддиты снова активировались, чтобы функционировать как совершенно новый тип конечности в брюшке, позволяя гусенице хвататься и перемещаться по различным поверхностям».
Таким образом, загадка многоногой гусеницы, кажется, решена: древняя генетическая сеть, ответственная за тот же тип конечностей, что и у крабов, была реактивирована спустя миллионы лет для создания пухлых ног гусениц.