Gli scienziati del Centro di biologia dell’Accademia ceca delle scienze, in collaborazione con l’Università di Liverpool, hanno scoperto il meccanismo genetico che determina se gli individui della specie di farfalle Bicyclus anynana diventano maschi o femmine.
La scoperta è stata pubblicata sulla rivista Science Advances.
Il meccanismo genetico che determina lo sviluppo sessuale nelle farfalle
Gli studiosi hanno anche scoperto che se individui con la stessa variante del gene che determina il sesso si accoppiano, gli embrioni non sopravviveranno. Ciò può avere conseguenze critiche nelle piccole popolazioni di farfalle con bassa variazione genetica, dove l’accoppiamento avviene tra individui imparentati.
Questa è la prima volta che gli scienziati descrivono questo meccanismo nelle farfalle e, sorprendentemente, assomiglia a un meccanismo simile nelle api mellifere.
Il Bicyclus anynana, marrone cespuglio strabico, è originario del continente africano. Viene spesso utilizzato per la ricerca genetica, in parte grazie alla sua capacità di riprodursi rapidamente e di riprodursi con relativa facilità in condizioni di laboratorio, inoltre il suo intero genoma è già stato sequenziato.
Secondo quanto rivelato dagli entomologi guidati da Arjen Van’t Hof del Centro di biologia CAS e da un team internazionale di collaboratori, il sesso di questa farfalla è regolato da diverse combinazioni di varianti di un gene chiamato Masculinizer. Una singola variante porta allo sviluppo femminile e due diverse varianti portano allo sviluppo maschile.
Le farfalle muoiono come embrioni quando vengono combinate due varianti identiche di Masculinizer, ma questo è molto raro nelle popolazioni naturali perché è stato trovato un numero enorme di varianti diverse.
La possibilità di avere due varianti identiche che provocano la morte embrionale diventa molto più alta nelle popolazioni fortemente diminuite con una ridotta variazione genetica causata dalla consanguineità.
Molte specie di farfalle sono in forte declino e se altre specie adottano lo stesso meccanismo del Bicyclus anynana, ciò può avere gravi conseguenze per le specie in grave pericolo di estinzione .
Questo meccanismo di determinazione del sesso è il primo riscontrato nelle farfalle e somiglia sorprendentemente più a quello delle api appartenenti a un diverso gruppo di insetti che a quello del baco da seta che appartiene allo stesso ordine di insetti.
Lo stesso meccanismo si è evoluto indipendentemente in Bicyclus anynana e nelle api mellifere, il che lo rende un chiaro esempio di evoluzione convergente.
Lo sviluppo in due sessi diversi è uno dei tratti biologici più significativi, ma nonostante l’importanza, nella maggior parte delle specie i meccanismi genetici sottostanti non sono stati scoperti. Il motivo principale per cui così tanto è ancora sconosciuto è che i meccanismi sono estremamente diversi.
I lepidotteri, un grande gruppo di insetti costituito da farfalle e falene, hanno cromosomi sessuali W e Z invece di X e Y. Le femmine di solito hanno un cromosoma W e uno Z e i maschi hanno due cromosomi Z. In alcune specie il sesso è determinato dal cromosoma W, ma esistono anche specie in cui le femmine non hanno un cromosoma W.
“Queste specie hanno diversi meccanismi di determinazione del sesso che non sono ancora noti. Il meccanismo che abbiamo scoperto nel Bicyclus anynana è molto diverso dal meccanismo dipendente dal cromosoma W scoperto in precedenza nel baco da seta Bombyx mori”, affermano i ricercatori.
Le farfalle possono acquisire nuove preferenze olfattive e trasmetterle alla loro prole
Per molto tempo si è creduto che le caratteristiche fisiche acquisite dagli organismi durante la loro vita non potessero essere trasmesse alla prole. Tuttavia, negli ultimi anni, la teoria dell’ereditarietà dei tratti acquisiti ha guadagnato sostegno, con studi che mostrano come la prole di ratti e piccoli vermi eredita comportamenti acquisiti dai genitori in risposta a particolari stimoli ambientali, anche quando lo stimolo non è più presente. nella generazione della prole.
Questa teoria è ulteriormente supportata da recenti studi condotti dai ricercatori della NUS, in cui hanno scoperto che l’ereditarietà dei tratti acquisiti avviene anche nelle farfalle, in particolare nella farfalla bruna Bicyclus anynana.
Due gruppi di ricerca supervisionati dalla professoressa associata Antónia Monteiro, del NUS Biological Sciences e dello Yale-NUS College, hanno dimostrato che sia i bruchi di Bicyclus anynana che le farfalle adulte possono imparare a preferire nuovi odori se vengono esposti ad essi durante il loro sviluppo o nelle prime fasi della vita.
I ricercatori hanno anche scoperto che la progenie dei bruchi e delle farfalle esposti mostra le stesse nuove preferenze dei loro genitori, anche se non sono stati esposti loro stessi, indicando che i loro genitori hanno trasmesso le nuove preferenze acquisite alla loro prole.
Nello studio pubblicato su Evolution , la dottoranda della NUS V. Gowri, la ricercatrice Dr. Emilie Dion e i loro collaboratori hanno esposto bruchi e farfalle a nuovi odori che normalmente non sperimentano nel loro ambiente naturale.
Negli esperimenti, i bruchi sono stati nutriti con foglie di mais – il loro cibo abituale – ricoperte di banana o essenza di mango durante tutto il loro sviluppo. La maggior parte di questi bruchi preferiva mangiare le foglie con l’essenza del frutto dopo solo pochi giorni di esposizione.
Nel secondo studio, pubblicato su Nature Communications , la dottoressa Dion e i suoi collaboratori hanno esposto le giovani farfalle femmine a nuove miscele di feromoni sessuali, un profumo prodotto dai maschi per invogliare le femmine ad accoppiarsi con loro. I risultati hanno mostrato che le femmine esposte in seguito preferirono accoppiarsi con maschi dotati della nuova miscela di feromoni.
“Questi risultati sono significativi perché mostrano che gli insetti non sono guidati solo dai loro istinti, ma possono anche imparare dalle loro esperienze precedenti e adattare di conseguenza il loro comportamento futuro. Le conseguenze delle loro capacità di apprendimento sulla loro sopravvivenza e riproduzione possono essere molto importanti.” ha condiviso il dottor Dion.
Entrambi gli studi hanno esaminato il comportamento della prole dei bruchi e delle farfalle Bicyclus anynana esposti. I risultati hanno rivelato che anche la nuova generazione mostrava la stessa preferenza per i nuovi odori alimentari o per le nuove miscele di feromoni sessuali, sebbene non fossero mai stati esposti a questi odori. I gruppi hanno concluso che la prole ereditava le preferenze acquisite dai genitori.
Sebbene si ipotizzi che questi processi di apprendimento ed ereditarietà facilitino l’evoluzione della diversità della dieta tra gli insetti e la selezione del compagno nel corso della diversificazione degli insetti, l’impatto di questo meccanismo di ereditarietà sull’evoluzione è ancora sconosciuto.
“Stiamo ora studiando se questa trasmissione comportamentale viene mantenuta per più di una generazione, e anche sondando i meccanismi molecolari sottostanti nella nostra specie modello, poiché queste rimangono alcune delle domande senza risposta più interessanti nel campo della biologia evolutiva”, ha affermato il prof. Assoc Monteiro.
Come alcune farfalle hanno sviluppato la capacità di cambiare la dimensione della macchia dell’occhio
Lo studio rivela che la farfalla satiride africana Bicyclus anynana ( B. anynana ), un membro della sottofamiglia delle farfalle nymphalidae (o farfalle dai piedi a spazzola), cambia la dimensione della macchia dell’occhio utilizzando una complessa risposta fisiologica e molecolare che si è evoluta gradualmente nel corso di milioni di anni.
I risultati evidenziano anche che mentre la temperatura modula i livelli ormonali in varie specie di farfalle satiridi, B. anynana è solo una delle poche che sfrutta questa risposta per regolare le dimensioni delle macchie oculari.
Molte farfalle della famiglia dei ninfalidi hanno sulle ali degli ocelli circolari che vengono generalmente utilizzati per deviare gli attacchi dei predatori. Tuttavia, in alcune stagioni, come la stagione secca in Africa, la migliore strategia di sopravvivenza delle farfalle è evitare di attirare l’attenzione su di sé e ridurre le dimensioni dei loro ocelli per farli sembrare una foglia morta.
Il modo in cui le farfalle compiono questa impresa è stato studiato solo in una specie di satiride africano, B. anynana . In questa specie, le basse temperature che segnalano l’arrivo della stagione secca abbassano la quantità di un ormone chiamato 20E durante l’ultimo stadio larvale. Ciò altera la funzione delle cellule sensibili agli ormoni al centro delle macchie oculari e successivamente ne riduce le dimensi
“Per il nostro studio, abbiamo studiato come questo sistema mediato dagli ormoni è arrivato a regolare la dimensione degli ocelli esaminando il processo in diverse altre specie di farfalle con e senza ocelli”, spiega l’autore principale Shivam Bhardwaj, che ha condotto questo lavoro come parte del suo ricerca di dottorato presso il Dipartimento di Scienze Biologiche dell’Università Nazionale di Singapore (NUS), e che ora è ricercatore post-dottorato presso la Mississippi State University.
“Volevamo scoprire quali altre specie cambiano la dimensione della macchia oculare in risposta alla temperatura e se raggiungono questo obiettivo attraverso lo stesso meccanismo di B. anynana . Questo lavoro comparativo ci permetterebbe di esplorare per la prima volta come si evolve un sistema regolato dalla temperatura”. a livello genetico e fisiologico.”
Per fare questo, Bhardwaj e il suo team hanno allevato 13 diverse specie di satiridi a due diverse temperature. Hanno scoperto che tutte le specie avevano livelli più bassi dell’ormone 20E in risposta alle basse temperature , ma la maggior parte di loro non era in grado di modificare di conseguenza la dimensione dei propri ocelli. Ciò includeva specie note per avere dimensioni diverse delle macchie oculari durante la stagione umida e quella secca. “Abbiamo anche visto che un piccolo gruppo di specie esprimeva il recettore ormonale nei centri delle macchie oculari proprio come B. anynana , ma anche questo non era sufficiente a ridurne le dimensioni”, dice Bhardwaj.
Il team ha poi manipolato l’ormone 20E in quattro delle 13 specie e ha scoperto che B. anynana è l’unica ad aver sviluppato un sistema di regolazione della dimensione delle macchie oculari mediato dalla temperatura e dagli ormoni.
Suggeriscono che questa specie abbia gradualmente sviluppato la capacità di cambiare la dimensione della macchia oculare in base alla temperatura come risultato delle variazioni stagionali nel suo habitat naturale africano.
Sono ora necessari ulteriori studi per comprendere i diversi segnali ambientali che altre farfalle utilizzano per alterare la dimensione dei loro ocelli durante la stagione secca e quella umida.
Per ora, il nostro lavoro rivela un adattamento complesso e graduale agli ambienti stagionali di B. anynana che richiedeva mutazioni specifiche per evolversi”, afferma l’autrice senior Antónia Monteiro, professoressa associata al NUS e allo Yale-NUS College di Singapore.
“Se altre forme di adattamento sono difficili da evolvere come quella identificata in B. anynana , allora i nostri risultati supportano un precedente avvertimento secondo cui molte specie potrebbero essere vulnerabili all’estinzione di fronte alle temperature imprevedibili e fluttuanti causate dai cambiamenti climatici ”.