Jak chodzić po wodzie: zgłębianie sekretów ewolucji owadów lądowych w owady chodzące po wodzie

Pluskwiaki różnoskrzydłe i pluskwiaki półwodne, dwa gatunki owadów półwodnych występujących na powierzchniach wód na całym świecie, stały się pewną ciekawostką naukową. Aby zrozumieć ten mechanizm adaptacji (owady te stanowią po prostu kolejny krok w ewolucji ich lądowych odpowiedników), konieczne jest przeprowadzenie zintegrowanych badań łączących ewolucyjną biologię rozwoju i ekologię ewolucyjną.

To właśnie jest celem zespołu projektu WATER WALKING (Developmental genetics and adaptive bases of a major ecological transition - How to walk on water!). Abderrahman Khila, kierownik grupy działającej w ramach ENS de Lyon, opracował wielopoziomowe podejście w celu zbadania, w jaki sposób wzajemna zależność między rozwojowymi szlakami genetycznymi a środowiskiem ekologicznym może prowadzić do ewolucji morfologicznej, obserwowanej np. u owadów półwodnych.

Dlaczego tak trudno jest zintegrować ewolucyjną biologię rozwoju z ekologią ewolucyjną?

Potrzebujemy jednocześnie odpowiednich narzędzi oraz właściwego kontekstu ekologicznego. Obecne modele standardowe (muszki owocowe, myszy, danio pręgowany itp.) zapewniają doskonałe narzędzia, ale bez kontekstu ekologicznego. Modele naturalne, które zazwyczaj są wybierane z uwagi na określony kontekst ekologiczny, nie zostały przystosowane do rutynowego stosowania wyrafinowanych narzędzi, takich jak transgeneza czy genetyka.

W jaki sposób badanie owadów półwodnych może pomóc w rozwiązaniu tych problemów?

Badanie owadów półwodnych pozwala na rozwiązanie zestawu szczególnie interesujących problemów biologicznych, co umożliwi znalezienie odpowiedzi na pytania dotyczące adaptacji gatunków i dywersyfikacji. Ponadto owady te okazały się bardzo podatne pod względem przenoszenia określonych narzędzi genetycznych. Pozwala to na podejście do tych problemów w szczegółowy i zintegrowany sposób, czyli poprzez połączenie genetyki rozwoju z ekologią i ewolucją.

Jednym uderzającym aspektem biologii tej grupy owadów jest ich zdolność do zajmowania powierzchni wody jako nowego siedliska (ich przodkowie żyli na lądzie), a zatem zdobywanie nowych możliwości ekologicznych. Temu przejściu towarzyszy wiele widocznych fenotypów, takich jak zwiększenie długości nóg, odwrócenie planu względnej długości nóg (u nartników najdłuższa jest druga para nóg, podczas gdy u większości owadów najdłuższa jest trzecia para), jak również sposób generowania przez nie ruchu na podłożu płynnym. Wykazują one również szereg istotnych zjawisk związanych z płcią, takich jak znaczny dymorfizm i plastyczność fenotypowa często wynikająca z konfliktów między gatunkami.

W połączeniu z narzędziami, które zdołaliśmy opracować, znacznie pomogło to w integracji ewolucji, ekologii i genetyki rozwoju.

W jaki sposób badano te owady?

Zostałem zaproszony do udziału w badaniu genetycznych podstaw konfliktu płciowego u nartników prowadzonym przez prof. Locke''a Rowe''a (Uniwersytet w Toronto) we współpracy z prof. Ehabem Abouheifem (Uniwersytet McGill, Montreal). Moim pierwszym warunkiem było przetestowanie niektórych podstawowych technik, co dało bardzo dobre wyniki. Okazało się to tak wielkim sukcesem, że postanowiłem oprzeć całą swoją karierę na tym systemie.

Czego się pan do tej pory nauczył?

Nartniki wykorzystują bardzo skuteczny mechanizm do poruszania się po wodzie: wykształciły wydłużoną drugą parę nóg w kształcie łopatek, które działają jak wiosła. prawa i lewa kończyna z drugiej pary nóg poruszają się jednocześnie ruchem śrubkowym, tak jak wiosła na łodzi wiosłowej.

Przede wszystkim postanowiliśmy zbadać, w jaki sposób wykształciły się te zmiany morfologiczne i funkcjonalne. Odkryliśmy, że w przypadku genu Hox nazywanego Ultrabithorax (Ubx; pochodzącego od bezkręgowców i zachowanego u ludzi) doszło do zmiany przestrzennej i czasowej ekspresji oraz że zmiany te wpływają na kształt drugiej pary nóg. Zaskoczyło nas, iż ten gen sprawia, że druga para nóg jest długa, a trzecia para nóg jest krótka, co odpowiada za charakterystyczną morfologię nartników. Okazało się, że te przeciwstawne role genu są związane z różnicami w ilości białka Ubx w każdej nodze. Konkretnie przy niskiej dawce, tak jak w przypadku drugiej pary nóg, gen Ubx wspomaga wzrost, natomiast przy wysokiej dawce — w przypadku trzeciej pary nóg — gen Ubx hamuje wzrost.

Gdy zastanawialiśmy się, dlaczego różnice w dawce mogą mieć odwrotny wpływ na wzrost nóg, okazało się, że geny regulowane przez gen Ubx reagują inaczej w zależności od jego poziomu. Odkryliśmy po raz pierwszy, że pradawne białko układu odpornościowego (istotne pod względem przetwarzania i prezentacji antygenu u ludzi) o nazwie GILT jest obecnie kontrolowane przez gen Ubx. Przy niskiej dawce genu Ubx (druga para nóg) białko GILT jest eksprymowane i powoduje wydłużenie nóg. Przy wysokiej dawce genu Ubx (trzecia para nóg) ekspresja białka GILT zostaje całkowicie wstrzymana, przez co nogi są krótkie.

Okazało się, że oprócz poruszania się na wodzie, kształt nóg nartników ma chronić przed drapieżnikami atakującymi spod powierzchni wody, takimi jak ryby. Nasza praca pozwala nam zrozumieć, w jaki sposób selekcja (potrzeba poruszania się na podłożach płynnych oraz unikania drapieżników) może kształtować morfologię zwierząt poprzez zmiany w istniejącym planie rozwoju, a także poprzez pojawianie się nowych interakcji genetycznych.

Co jeszcze musicie osiągnąć przed zakończeniem prac nad projektem?

Obecnie prowadzonych jest jeszcze kilka projektów. W ramach pierwszego badamy, w jaki sposób zwierzęta te nabyły zdolność do utrzymywania swojej masy ciała na wodzie, podczas gdy większość innych zwierząt utonęłaby. Posiadają one na nogach małe włoski, które wychwytują powietrze i tworzą poduszkę pomiędzy nogą a powierzchnią wody. Chcielibyśmy zrozumieć, jak przebiega proces kształtowania tych włosków i określania ich gęstości w trakcie rozwoju.

Inny ważny projekt bada powstawanie nowych cech ewolucyjnych. Niektóre gatunki występujące w szybko płynącej wodzie wykształciły śmigło na końcu drugiej pary nóg; pewnego rodzaju wirnik. Odkryliśmy, że ta nowa cecha wykształciła się na skutek pojawienia się nowego genu w drodze duplikacji. Jest to bardzo ekscytujące odkrycie, ponieważ na ogół uważa się, że nowe cechy wykształcają się poprzez ponowne wykorzystanie istniejących genów.

Ostatni projekt skupia się na selekcji płciowej. Gatunek owadów chodzących po wodzie wykazuje znaczny polimorfizm u osobników męskich pod względem długości nóg; niektóre osobniki męskie (i żeńskie) mają krótkie nogi, natomiast inne mają bardzo długie nogi. Teraz wiemy, że długość nóg ma znaczenie podczas walki samców w celu zdobycia samicy i że samce z dłuższymi nogami często wygrywają. Staramy się zrozumieć, w jaki sposób taka spektakularna plastyczność fenotypowa może się rozwijać zarówno z punktu widzenia ekologii, jak i rozwoju.

Poza integracją dwóch dyscyplin, jakie są główne korzyści płynące z tych badań?

Integracja sama w sobie nie jest głównym celem. Celem jest poznanie sposobu powstawania różnorodności oraz czynników, które się do niej przyczyniają. Odpowiedzi na to ważne pytanie były rozproszone i niepewne, ponieważ kierunki badań (np. w dziedzinie biologii rozwoju, ekologii, genetyki populacyjnej itp.) nie uzupełniają się w dostatecznym stopniu. Mamy nadzieję, że ich integracja przyniesie pełniejsze zrozumienie różnorodności.

WATER WALKING
Dofinansowanie z programu LUDZIE 7PR
strona projektu w serwisie CORDIS