В прошлом году профессор UCSB Тодд Окли, а затем доктор философии.D. студентка Сабрина Панки профилировала биолюминесцентные органы у двух видов кальмаров и обнаружила, что, хотя они развивались отдельно, они делали это удивительно похожим образом. Их выводы опубликованы сегодня в Proceedings of the National Academy of Science.
Окли, профессор и заместитель председателя Департамента экологии, эволюции и морской биологии UCSB, и Панки, ныне доктор наук в Университете Нью-Гэмпшира, использовали достижения в технологии секвенирования и передовые инструменты генома для проверки предсказуемости эволюции биологической биологии. легкое производство.
Они решили работать с кальмаром гавайского бобтейла (Euprymna scolopes) и кальмаром-мечом (Uroteuthis edulis), японским видом, используемым для суши. Эти отдаленно связанные виды представляют собой два из пяти родов, которые, как известно, имеют биолюминесцентные органы, называемые фотофорами. Фотофоры содержат симбиотические светоизлучающие бактерии, а кальмары способны контролировать апертуру своего органа, чтобы регулировать количество производимого света.
Ученые хотели узнать, насколько похожи фотофоры двух видов с точки зрения их генетического состава. Чтобы найти ответ, они секвенировали все гены, экспрессируемые в этих световых органах, что было невозможно сделать с помощью старой технологии секвенирования.
«Они намного больше похожи, чем мы ожидали, с точки зрения их генетического состава», – сказал Окли. «Обычно, когда два сложных органа развиваются отдельно, мы ожидаем, что они пойдут по совершенно разным эволюционным путям, чтобы добраться туда, где они находятся сегодня. Неожиданно похожий генетический состав демонстрирует, что эти два вида кальмаров пошли очень похожими путями, чтобы развить эти черты."
В частности, исследователи продемонстрировали, что биолюминесцентные органы неоднократно возникали во время эволюции кальмаров, а затем показали, что глобальные профили экспрессии генов (транскриптомы), лежащие в основе этих органов, поразительно – даже предсказуемо – похожи.
Чтобы подтвердить свою гипотезу и выводы, Окли и Панки заручились помощью статистиков из Вашингтонского университета и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, которые разработали новые статистические методы для проверки идеи конвергентного (отдельно эволюционирующего) происхождения.
«Я обнаружил некоторые отдельные гены, которые противоречили основному шаблону, а это означает, что мы больше не можем изучать только один ген, чтобы проверить эти вопросы о генетической основе конвергенции», – сказал Панки. "Мы находимся в той точке, где нам нужно – и мы можем – изучить их все."
Некоторые предыдущие эксперименты показали, что эти кальмары используют свои биолюминесцентные способности для маскировки, как ни парадоксально это может показаться. «Если вы представите, что лежите на спине в глубоком океане и смотрите вверх, почти весь свет исходит прямо сверху», – объяснил Окли. "Нет таких структур, как стены или деревья, которые отражали бы свет, поэтому, если что-то есть над вами, это отбрасывает тень. Кальмар может производить свет, который затем соответствует свету позади них, поэтому он блокирует их тень для зрителя внизу, что является своего рода камуфляжем."
Результаты команды демонстрируют, что эволюция общей экспрессии генов, лежащих в основе конвергентных сложных признаков, может быть предсказуемой. Это открытие является неожиданным и может указывать на необычно сильные ограничения: вероятность того, что сложные органы эволюционируют несколько раз со сходными траекториями, должна быть исчезающе мала, отметил Окли. Тем не менее, новые биоинформатические подходы команды показывают, что эволюция конвергентных фенотипов связана с конвергентной экспрессией тысяч генов.
«Эти результаты имеют большое значение для специалистов в области эволюции, генетики, геномики / биоинформатики, биоматериалов, симбиоза, зоологии беспозвоночных и эволюционного развития», – заключил Окли.