A razão pela qual essas borboletas venenosas não se associam está escrita em seu DNA

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Por Rachael Lallensack

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smithsonian.com 8 de fevereiro de 2019 13:00

Cerca de uma década atrás, o biólogo evolucionista Richard Merrill passava várias horas por dia em um "Panamá quente e úmido", sentado em uma gaiola cheia de borboletas Heliconius, esperando que fizessem sexo.

“Parece glamoroso, certo?” Ele ri.

Merrill estava acompanhando se as borboletas Heliconius híbridas masculinas flertariam - na forma de pairar ou perseguir - com borboletas de rosetas Heliconius melpomene de asas vermelhas ou borboletas de Heliconius cydno chioneus de asas brancas. Ele documentou esse namoro de borboletas para estudar a preferência de parceiros híbridos, que ele e sua equipe mais tarde examinariam em um nível genético.

Na natureza, as borboletas híbridas Heliconius são raras. Heliconius melpomene e Heliconius cydno são altamente venenosos, tendo evoluído para produzir o seu próprio cianeto, e os predadores aprenderam exatamente como são esses dois insetos tóxicos. Se as duas espécies se cruzam, no entanto, seu padrão de asa se torna uma mistura desorientadora de ambos os padrões de cores, fazendo das borboletas híbridas um alvo de destaque para a predação. Como resultado, as vidas dos híbridos geralmente acabam antes de poderem se reproduzir.

Em um artigo publicado ontem na revista PLOS Biology, Merrill e seus colegas confirmaram pela primeira vez que o comportamento preferencial de acasalamento nessas borboletas é realmente escrito em seu DNA. Especificamente, sua equipe encontrou apenas três partes do genoma que controlam pelo menos 60% do comportamento de escolha do parceiro.

“Isso ilustra que um comportamento complexo, como a preferência do parceiro, pode estar associado a apenas três regiões do genoma”, diz Erica Westerman, uma bióloga evolucionária da Universidade de Arkansas, que não esteve envolvida no estudo. “Isso é algo que se pensa estar associado a muitas áreas do genoma. Isso nos permitirá ter uma abordagem direcionada para ver como esses genes influenciam o comportamento dessas borboletas ”.

Aqui as duas espécies - Heliconius cydno , à esquerda, e Heliconius melpomene , à direita - cortam em um insetário. É muito incomum na natureza, mas os cientistas podem induzi-los a fazê-lo em cativeiro. (Luca Livraghi) Exatamente como essas duas borboletas Heliconius permanecem separadas, ainda é um mistério. A especiação, ou o processo de criação de uma nova espécie, é facilmente explicada quando existem limites geográficos, como montanhas, para dividir fisicamente uma única espécie em duas. O que intriga os cientistas é que H. melpomene e H. cydno tenham vivido lado a lado nos mesmos ecossistemas, competindo pelos mesmos recursos, por mais de um milhão de anos. No entanto, as borboletas coloridas e venenosas permanecem como duas espécies separadas, recusando-se a acasalar e mesclar suas características genéticas.

É uma demonstração perfeita de um conceito biológico chamado isolamento reprodutivo, que fez com que Heliconius fosse o principal alvo de estudos evolutivos por mais de 100 anos. Os cientistas supõem que o isolamento reprodutivo é mantido, em alguns casos, por meio de um poderoso acasalamento seletivo, o que significa que um organismo só se reproduzirá com um parceiro que se pareça com eles. Portanto, a barreira que os divide não é ambiental, mas genética.

Merrill, que agora está baseado na Universidade Ludwig Maximilian de Munique, e seus colegas usaram um método que mostra quais áreas do genoma têm o maior efeito sobre o comportamento de acasalamento, mas elas não identificaram os genes exatos. Mesmo assim, sua análise foi clara o suficiente para mostrar que uma das três regiões que influenciam a preferência de acasalamento é próxima de um gene chamado optix, que é conhecido por controlar os padrões de asas vermelhas vibrantes em H. melpomene. (A Optix tem uma influência tão forte na cor que a liga e desliga usando a ferramenta de edição de genes CRISPR pode tornar as asas de uma borboleta totalmente incolores.) De fato, essa região genética é de apenas 1,2 centiMans - que são unidades usadas para medir a distância entre genes em um cromossomo - longe do gene optix.

O fato de que as cadeias genéticas que controlam a preferência do parceiro estão tão próximas do optix, o gene que cria os padrões das asas, bem como outras indicações visuais, tem implicações empolgantes para os pesquisadores que estudam a evolução de comportamentos como a preferência pelo acasalamento.

Uma borboleta do rosina do melpomene de Heliconius descansa em uma flor. (Richard Merrill) “[Este estudo] fornece muitos insights sobre como a preferência e a preferência estão ligadas fisicamente”, diz a bióloga evolutiva Susan Finkbeiner, da Universidade de Chicago, que não esteve envolvida no estudo. A pesquisa apóia a ideia de que “o padrão de cores e a preferência de cores anteriores estão associados uns aos outros”.

Se o comportamento de acasalamento e a característica preferida são de fato fisicamente emaranhados em um único cromossomo, então ambos seriam passados ​​para a próxima geração com facilidade, mantendo uma espécie de barreira genética entre as duas espécies. “Podemos ter evolução de novas espécies sem evocar barreiras físicas, como mares ou montanhas”, diz Merrill.

Um segundo estudo mostrou que, embora a sobrevivência híbrida seja rara, já aconteceu o suficiente nos últimos milhões de anos que essas duas borboletas compartilham dez vezes mais material genético do que humanos e neandertais. Até mesmo alguns eventos de cruzamentos, ao que parece, podem ter um forte efeito sobre a genética.

A pesquisa, liderada pelo biólogo evolucionista Simon Martin, da Universidade de Cambridge, usou sequenciamento do genoma inteiro de nove populações de Heliconius para identificar áreas do DNA das borboletas onde a hibridação e a seleção natural influenciaram a genética dos organismos ao longo do tempo. O fato de as espécies permanecerem tão visualmente distintas, apesar dos genomas altamente similares, reafirma a força das forças evolutivas na formação da árvore da vida.

"Não há apenas um caminho evolutivo", diz Martin. “É uma rede ou uma web. Mas meu estudo mostra que é previsível. Há um belo padrão previsível nesta complexa teia da vida ”.

Ultimately, Martin’s results, also published in PLOS Biology, strengthen Merrill’s findings as well, showing that the two species remain separate because of the strong genetic barriers within their DNA that arose through natural selection—barriers like the connection between optix and reproductive preference. This bond between wing color and mate preference cannot be lost even in hybrid butterflies because the two genetic traits are so closely linked—possibly even driven by the same genes. Such genetic barriers make speciation predictable despite evidence of historic hybridization events.

“There’s predictability because of natural selection,” Martin says. “It’s not only in the creation of species but also in determining which genes are passed on and which aren’t [that] elevates the role of natural selection in evolution.”

As a next step, Merrill hopes to find the precise genes underlying this wing-color-preference behavior. He’s mulling over possibly using machine learning and video cameras to enable the team to collect more data next time around.

“We’re trying to develop methods to automate this process,” Merrill says. Once the team has specific genes to target, they can use CRISPR to do knockout studies and observe how butterflies behave without the genes that are thought to control their behavior.

Sem os genes que controlam a escolha seletiva de cor das asas das borboletas Heliconius, as duas espécies separadas podem estar mais inclinadas a acasalar uma com a outra. Para descobrir com certeza, porém, Merrill pode ter que voltar para a gaiola de borboleta no Smithsonian Tropical Research Institute e sentar e esperar para ver se ele pode pegar qualquer ação de inseto interespécies. Embora ele não se importasse.

"Não há outro lugar no mundo que você poderia ter feito este estudo", diz ele.

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