Секвенировав геномы бабочек-монархов со всего мира, группа ученых сделала новые удивительные открытия в генетике монарха. Они определили один ген, который кажется центральным для миграции – поведение, которое обычно считается сложным, – и другой, который контролирует пигментацию. Исследователи также пролили свет на эволюционное происхождение монарха.
Они сообщают о своих выводах окт. 1 в природе.
«Результаты этого исследования меняют наше представление об этих бабочках», – сказал старший автор исследования Маркус Кронфорст, доктор философии, доцент кафедры экологии и эволюции семьи Нойбауэр в Чикагском университете.
Каждый год миллионы монархов прилетают даже из Канады, чтобы провести зиму в Мексике.
Преимущественно североамериканский вид, монарх также существует в Южной и Центральной Америке и относительно недавно распространился через Атлантический и Тихий океаны. Мигрируют только североамериканские монархи.
Североамериканский оригинал
Чтобы лучше понять генетику монархов и основы миграционного поведения, команда Кронфорста секвенировала и сравнила геномы 101 бабочки, включая мигрирующих североамериканских монархов, немигрирующих монархов со всего мира и несколько близкородственных видов.
Исследователи проанализировали эволюционное происхождение монарха, используя генетические сравнения. Они проследили родословную монархов до мигрирующего населения, которое, вероятно, происходило из южной части США.S. или Мексика.
Текущее распространение монарха по всему миру, по-видимому, связано с тремя отдельными случаями расселения – в Центральную и Южную Америку; через Атлантику; и через Тихий океан. Во всех трех случаях бабочка самостоятельно утратила свое миграционное поведение.
Североамериканское происхождение монарха противоречит давней гипотезе о том, что бабочка произошла от немигрирующих тропических видов, которые позже развили способность к миграции.
Хотя исторические записи предполагают, что расселение монарха через Тихий и Атлантический океан произошло в 1800-х годах, анализ показал, что на самом деле монарх пересек океаны тысячи лет назад. Авторы отмечают, что необходимо провести дополнительную работу, чтобы полностью задокументировать эволюционную историю бабочки.
«Чтобы четко разобраться в истории бабочек-монархов, нам все еще нужны дополнительные ископаемые, археологические и генетические данные, а также более совершенные технологии, которые станут доступны в будущем», – сказал автор исследования Шуай Чжан, доктор философии, профессор Шанхайских институтов. доктор биологических наук и бывший научный сотрудник Чикагского университета и Медицинской школы Массачусетского университета.
Медленно, но уверенно
Чтобы изучить генетическую основу миграции, команда сравнила геномы мигрирующих бабочек с тремя немигрирующими популяциями. Они идентифицировали более 500 генов, большинство из которых задействованы в мышечной, развивающей и нервной функциях, которые в некоторой степени различались. Но выделялось единственное несоответствие генов.
У мигрирующих бабочек уровень коллагена IV значительно снижен ?-1, ген, участвующий в формировании и функционировании летных мышц.
Команда обнаружила, что мигрирующие монархи потребляют меньше кислорода и значительно снижают скорость метаболизма в полете, что, вероятно, увеличивает их способность летать на большие расстояния по сравнению с немигрирующими бабочками.
«Миграция рассматривается как сложное поведение, но каждый раз, когда бабочки теряют миграцию, они изменяются точно так же, в этом единственном гене, участвующем в эффективности летных мышц», – сказал Кронфорст. "В группах населения, потерявших миграцию, эффективность снижается, что говорит о том, что есть преимущества в быстром и упорном полете, когда им не нужно мигрировать."
Цветовой ген
Исследователи также исследовали генетическую основу знаменитой окраски монарха. Небольшой процент монархов, особенно на Гавайях, имеют белые и черные крылья вместо оранжевых. Сравнивая геномы этих бабочек с обычно окрашенными популяциями, команда обнаружила, что один ген, по-видимому, функционирует как переключатель пигментации.
Этот ген, который кодирует белок семейства моторных белков миозина, никогда раньше не участвовал в окраске насекомых. Его мутация, вероятно, нарушает перенос пигмента к крыльям, делая монархов белыми. Родственный ген у мышей, миозин 5a, аналогичным образом влияет на цвет шерсти.
По словам Кронфорста, этот ген представляет собой новый генетический путь для изучения окраски насекомых.
Миграция в опасности
Хотя монарху не грозит исчезновение, его знаменитая массовая миграция через Северную Америку, похоже, находится в опасности. В 1996 году около миллиарда монархов эмигрировали в Мексику на зиму. По оценкам за прошлый год, их было около 35 миллионов. Вероятная причина – потеря молочая, основной среды обитания монарха, из-за использования сельскохозяйственных гербицидов.
Между тем, монархи, которые раньше мигрировали, переходят в немигрирующее население на побережье Мексиканского залива.
По мнению авторов, результаты этого исследования подчеркивают необходимость усилий по сохранению, чтобы сохранить культовую миграцию и продлить экстраординарную эволюционную историю бабочки-монарха.
«Раньше вы видели огромное количество монархов, пролетающих облаками», – сказал Кронфорст. "Теперь вполне возможно, что в недалеком будущем этой ежегодной миграции не будет."
Исследование «Генетика миграции бабочек-монархов и предупреждающая окраска» было поддержано Национальным институтом здравоохранения, Национальным научным фондом и фондами Нойбауэра из Чикагского университета.
Среди дополнительных авторов – Вэй Чжан из Чикагского университета, Кристьян Ниитеполд и Джереми Сюй из Стэнфордского университета, Хуан Фернандес Хэгер из Кордовского университета, Майрон П. Залуки из Университета Квинсленда, Соня Алтизер из Университета Джорджии, Якобус С. де Роуд из Университета Эмори и Стивен М. Репперт из Медицинской школы Массачусетского университета.