Motten könnten das Disco-Gen nutzen, um den Tag-Nacht-Zyklus zu regulieren

Wie werden aus einer Art zwei? Wenn Sie Biologe sind, ist diese Frage schwer zu beantworten. Der Konsens besteht darin, dass der Prozess der Artbildung in den meisten Fällen dann stattfindet, wenn Individuen innerhalb derselben Population geografisch isoliert werden. Wenn sie lange genug getrennt bleiben, verlieren sie die Fähigkeit zur Kreuzung.

Eine neue Studie wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Verfahren der Royal Society B: Biologische Wissenschaften zeigt, was passiert, wenn eine weniger häufige Form der Artbildung auftritt. Anstatt durch eine physische Barriere wie eine Bergkette oder einen Ozean getrennt zu sein, können Mitglieder einer Art im Laufe der Zeit getrennt werden.

Die Forscher konzentrierten sich auf zwei eng verwandte Mottenarten mit überlappenden Verbreitungsgebieten im Südosten der USA.

„Diese beiden Arten sind sich sehr ähnlich“, sagte der Hauptautor Yash Sondhi, der die Forschung für die Studie während seiner Arbeit an der Florida International University und dann am Florida Museum of Natural History durchführte. „Sie unterschieden sich entlang einer Achse, der des Fluges. »

Rosa Ahornschmetterlinge der Gattung Dryocampa sehen aus wie das, was man bekommen würde, wenn Roald Dahl einen Fiebertraum malen würde. Sie tragen eine dicke Löwenmähne auf Kopf und Bauch und ihre leuchtenden Schuppen haben die Farbe von Erdbeer- und Bananentoffee. Männliche und weibliche rosafarbene Schmetterlinge fliegen ausschließlich nachts.

Rosa gestreifte Schmetterlinge der Gattung Anisota sind weniger auffällig, mit dezenten Ocker-, Umbra- und Mergeltönen. Während die Weibchen dieser Art in der Dämmerung und am frühen Abend aktiv sind, fliegen die Männchen lieber tagsüber.

Sondhi wusste aus früheren Forschungen, dass diese beiden Gruppen, Dryocampa und Anisota, vor etwa 3,8 Millionen Jahren aus einer einzigen Art entstanden sind, was auf evolutionären Zeitskalen relativ neu ist. Es gibt eine Handvoll Arten der Gattung Anisota, die alle tagsüber aktiv sind. Rosa Ahornmotten sind die einzigen Arten der Gattung Dryocampa.

Sondhi ist auf die Biologie des Insektensehens spezialisiert und sah in dem Mottenpaar die perfekte Gelegenheit, zu erforschen, wie sich das Sehvermögen entwickelt, wenn eine Art ihr Aktivitätsmuster ändert.

Aber es lief nicht wie geplant.

„Ich habe nach Unterschieden im Farbsehen gesucht. Stattdessen fanden wir Unterschiede in ihren Uhrengenen, was im Nachhinein Sinn macht“, sagte Sondhi.

Uhrengene steuern den zirkadianen Rhythmus von Pflanzen und Tieren. Das Auf und Ab der von ihnen erzeugten Proteine ​​führt dazu, dass Zellen über einen Zeitraum von etwa 24 Stunden aktiv oder ruhend werden. Sie beeinflussen alles vom Stoffwechsel und Zellwachstum bis hin zum Blutdruck und der Körpertemperatur.

Bei jedem Organismus, der sein Aktivitätsmuster umkehrt, ist es fast sicher, dass Uhrgene beteiligt sind. „Es ist ein System, das in allen Menschen erhalten geblieben ist, von der Fruchtfliege bis hin zu Säugetieren und Pflanzen. Sie alle verfügen über eine Art Zeitmechanismus“, sagte er.

Sondhi verglich die Transkriptome der beiden Schmetterlinge. Im Gegensatz zu Genomen, die die gesamte DNA eines Organismus enthalten, enthalten Transkriptome nur die Teilmenge des genetischen Materials, das aktiv zur Herstellung von Proteinen verwendet wird. Sie sind daher nützlich, um Unterschiede im Proteingehalt im Laufe des Tages zu untersuchen.

Wie erwartet entdeckte Sondhi eine Reihe von Genen, die in den beiden Schmetterlingsarten in unterschiedlicher Menge exprimiert wurden. Die Rosenahornmotten investierten mehr Energie in ihren Geruchssinn, während der Eichenmotten mehr Gene produzierte, die mit dem Sehen verbunden sind.

Es gibt jedoch keinen Unterschied in den Genen, die das Sehen von Farben ermöglichen. Das bedeutet nicht unbedingt, dass ihr Farbsehen identisch ist, aber wenn es Unterschiede gibt, liegen sie wahrscheinlich in der Abstimmung und Empfindlichkeit und nicht in der Struktur der Gene selbst.

Ein weiteres Gen stach heraus. Das Disconnected- oder Disco-Gen wurde bei beiden Arten tagsüber und nachts in unterschiedlichem Ausmaß exprimiert. Bei Fruchtfliegen ist bekannt, dass das Disco-Gen indirekt den zirkadianen Rhythmus beeinflusst, indem es Neuronen produziert, die Uhrenzyme vom Gehirn an den Körper übertragen.

Das Disco-Gen, das Sondhi in seinen Schmetterlingsproben entdeckte, war doppelt so groß wie sein Gegenstück bei der Fruchtfliege und verfügte über zusätzliche Zinkfinger, also aktive Teile eines Gens, das direkt mit DNA, RNA und Proteinen interagiert. Es scheint wahrscheinlich, dass Veränderungen im Disco-Gen zumindest teilweise für die Verlagerung zum Nachtflug bei Zuckerahorn-Schmetterlingen verantwortlich sind.

Durch den Vergleich des Disco-Gens von Zuckerahorn-Schmetterlingen mit dem von Eichenraupen entdeckte er 23 Mutationen, die sie voneinander unterschieden. Die Mutationen befanden sich auch in aktiven Teilen des Gens, was bedeutet, dass sie wahrscheinlich zu den beobachteten physischen Unterschieden zwischen den Schmetterlingen beitragen. Sondhi untersuchte die Evolution in Aktion.

„Wenn dies funktionell bestätigt wird, wird es ein wirklich konkretes Beispiel für den Mechanismus sein, der hinter ihrer Artbildung auf molekularer Ebene steckt, was selten zu finden ist“, sagte er.

Diese Studie stellt auch einen wichtigen Schritt vorwärts für ein besseres Verständnis der verschiedenen Arten dar, wie Leben erhalten und verbreitet wird. Als die Genetik erstmals zu einem Forschungsgebiet wurde, konzentrierten sich die Forscher vor allem auf einige wenige repräsentative Arten, etwa Fruchtfliegen oder Labormäuse. Dieser Ansatz wurde hauptsächlich aus Effizienzgründen durchgeführt, schränkt jedoch unser Wissen über wichtige biologische Modelle ein. So wie ein Mensch keine Labormaus ist, ist eine Motte keine Fruchtfliege.

„Da die Arten aufgrund des Klimawandels und anderer anthropogener Veränderungen weiter zurückgehen, müssen wir mehr der verbleibenden Arten genetisch verändern, um sie beispielsweise in die Lage zu versetzen, Dürreperioden zu tolerieren oder sich aktiv an Lichtverschmutzungsregimen zu beteiligen.“ Um dies konsequent zu erreichen, ist es wichtig, über einen breiteren Pool funktionell charakterisierter Gene in allen Organismen zu verfügen. Wir können nicht einfach Drosophila verwenden“, sagte Sondhi.