Подъем завесы над эволюцией насекомых: от суши к хождению по воде

Исследователи из ENS de Lyon в рамках проекта WATER WALKING изучают генетические основы удивительной способности полуводных насекомых, таких как водомерки (Gerromorpha), бегать по воде. Эти насекомые, произошедшие от наземных предков, представляют собой идеальную модель для интеграции эволюционной биологии развития и эволюционной экологии.

Проблема интеграции дисциплин

Стандартные лабораторные модели (дрозофилы, мыши, рыбки данио) предлагают мощные генетические инструменты, но лишены экологического контекста. Природные модели с интересным экологическим контекстом, как правило, не адаптированы для сложных методов, таких как трансгенез. Полуводные насекомые помогают преодолеть этот разрыв, поскольку сочетают яркую экологическую адаптацию с относительной пригодностью для генетических исследований.

Ключевые открытия проекта

1. Генетика "весел"

Водомерки генерируют движение по воде с помощью удлиненных вторых пар ног, которые действуют как весла. Исследования показали, что за эту морфологию отвечает Hox-ген Ultrabithorax (Ubx).

  • Ubx изменил свою пространственно-временную экспрессию.
  • В низкой дозе (вторые ноги) Ubx стимулирует рост, делая ноги длинными.
  • В высокой дозе (третьи ноги) Ubx подавляет рост, делая их короткими. Это формирует характерный для водомерок план относительной длины ног.

2. Новый генетический механизм

Было обнаружено, как разные дозы Ubx приводят к противоположным эффектам:

  • Ген gilt (древний белок иммунной системы, важный для презентации антигенов у человека) оказался под контролем Ubx.
  • При низкой дозе Ubx (вторые ноги) gilt экспрессируется и способствует удлинению ноги.
  • При высокой дозе Ubx (третьи ноги) экспрессия gilt полностью подавляется, что способствует укорочению ноги.

3. Роль естественного отбора

Форма ног водомерок находится под давлением отбора не только для передвижения по жидкости, но и для защиты от хищников (например, рыб), атакующих снизу. Это показывает, как отбор может формировать морфологию через изменения в существующей программе развития и появление новых генетических взаимодействий.

Текущие и будущие направления исследований

  1. Удержание на воде: Изучение того, как во время развития формируются форма и плотность микроскопических волосков на ногах, которые удерживают воздух и создают "подушку", не позволяющую насекомому утонуть.
  2. Эволюционные новшества: У некоторых видов, обитающих в быстрых потоках, на кончиках вторых ног развился пропеллер (подобие вентилятора). Это новшество возникло благодаря появлению нового гена путем дупликации, что бросает вызов распространенному мнению, что новшества возникают только за счет повторного использования существующих генов.
  3. Половой отбор: Исследование впечатляющего полиморфизма длины ног у самцов одного из видов, где особи с более длинными ногами чаще побеждают в боях за самок. Цель — понять экологические и развивающие основы такой фенотипической пластичности.

Основная цель

Главная цель — не просто интеграция дисциплин, а понимание того, как возникает биологическое разнообразие и какие факторы этому способствуют. Объединение подходов эволюционной биологии развития, экологии и популяционной генетики позволит получить более полную картину этого процесса.