Egenskaper går ofta förlorade under evolutionen, antingen för att de inte längre är fördelaktiga eller för att de är för dyra att underhålla. När detta händer tror man allmänt att generna som ligger bakom egenskapen så småningom också kommer att försämras, vilket gör det svårt för att inte säga omöjligt för egenskapen att återuppstå. Ändå finns det många exempel i naturen på en gång förlorade egenskaper som återuppstår i ättlingar.
Enligt Giobbe Forni, en forskare vid universitetet i Bologna, "Att kartlägga närvaron och frånvaron av egenskaper på ett artträd tyder på att vissa egenskaper kan ha gått förlorade i linjerna som leder till bevarade arter och sedan återinsatts. Vingar i pinninsekter anses vara ett av de mer ikoniska exemplen på denna evolutionära process."
Detta innebär att generna som ligger bakom dessa egenskaper kan bevaras, i vissa fall i miljontals år. Tyvärr är forskningen om den molekylära grunden för sådan återuppkomst sparsam, vilket lämnar de underliggande mekanismerna som är ansvariga för sådant bevarande i stort sett öppna för spekulationer fram till nu.
I en ny studie publicerad i Genome Biology and Evolution , Forni och hans kollegor kastar ljus över en annan komplex egenskap som har gått förlorad hos vissa pinninsekter – produktionen av hanar.
Förlust av förmågan att producera hanar resulterar i populationer av endast honor, som reproducerar genom partenogenes, en form av asexuell reproduktion. Studien avslöjar att gener som är starkt sammankopplade i regulatoriska nätverk och involverade i flera biologiska processer kan bibehållas långt efter att en egenskap har förlorats, vilket ger en potentiell möjlighet för egenskaper att återuppstå över långa evolutionära tidsskalor.
I den nya studien utförde Forni och hans medförfattare Barbara Mantovani, Alexander S. Mikheyev och Andrea Luchetti en jämförande analys av tre arter av pinninsekter i släktet Bacillus. Medan Bacillus grandii marettimi-populationer är sammansatta av hanar och honor som reproducerar sig sexuellt, omfattar Bacillus atticus populationer med endast honor som reproducerar sig genom partenogenes.
En tredje art, Bacillus rossius, inkluderar både sexuella och partenogenetiska populationer. Genom att studera öden för gener involverade i manlig reproduktion i dessa tre arter, försökte författarna undersöka i vilken utsträckning gener bevaras efter förlust av egenskaper och de potentiella mekanismerna som driver detta bevarande.
Forskarna identifierade först gennätverk vars uttryck var korrelerat med antingen manlig eller kvinnlig reproduktion i den sexuella arten B. marettimi och utvärderade sedan samma gener i B. atticus och B. rossius. Överraskande nog uppvisade mansrelaterade gener inga tecken på försvagat urval eller accelererad evolution jämfört med kvinnliga gener i den partenogenetiska arten. Dessutom bevarades manliga relaterade mönster av genuttryck delvis över båda partenogenetiska arterna.
Grävde djupare, fann forskarna att gener i kvinnliga nätverk främst uttrycktes i kvinnliga reproduktiva vävnader, medan de i manliga nätverk uttrycktes i manliga och kvinnliga reproduktiva vävnader, inklusive både sexuella och partenogenetiska kvinnor. Detta tyder på att mansrelaterade gener också kan spela roller i kvinnlig reproduktion.
Inblandningen av en gen i flera biologiska processer är känd som pleiotropi, och detta fenomen kan förklara bevarandet av mansrelaterade gener i dessa partenogenetiska stickinsekter, som tidigare antagits.
Dessutom fann författarna att gener som var starkt kopplade till många andra gener i nätverket var mer benägna att uttryckas i de reproduktiva vävnaderna hos parthenogener, vilket tyder på att en gens nätverksanslutning också kan påverka dess genbevarande efter förlust av egenskaper.
Sammantaget indikerar dessa fynd "att den molekylära grundplanen för den en gång förlorade manliga reproduktionsprocessen kan bestå på grund av pleiotropa effekter på andra egenskaper", förklarar Forni. "Olika gener kan genomföra olika banor för bevarande och sönderfall beroende på nivån av pleiotropi inom det genreglerande nätverket."
Den här studien belyser inte bara den genetiska arkitekturens uthållighet efter förlust av egenskaper utan erbjuder också en potentiell inblick i uppkomsten av sällsynta män och kryptiskt sex (d.v.s. episodisk generation av män och sexuell reproduktion), som har observerats i ett ökande antal linjer som man trodde hade förlorat förmågan att producera hanar för länge sedan. Detta öppnar upp nya potentiella vägar för forskning, med konsekvenser som kan sträcka sig långt bortom pinnsekter.
"Att titta på hur utbrett genetiskt bevarande efter förlust av egenskaper är i större skala är fortfarande grundläggande. Även om artkomplexet Bacillus erbjuder ett bra ramverk för att ta itu med dessa problem, skulle det vara användbart att analysera ett större artkomplex där flera övergångar mellan reproduktionsstrategier har skett ", konstaterar Forni.
"Även om det ofta är nödvändigt att förlita sig på modellarter för att upptäcka och dissekera biologiska processer, är det ännu viktigare att testa våra hypoteser i ett vidare sammanhang. Detta kommer att vara möjligt endast om vi ägnar mer kraft åt att observera och analysera den fantastiska mångfalden av organismer och deras komplicerade anpassningar."
Mer information: Giobbe Forni et al, Parthenogenetic Stick Insects uppvisar signaturer för bevarande i den molekylära arkitekturen för manlig reproduktion, genombiologi och evolution (2024). DOI:10.1093/gbe/evae073
Journalinformation: Genombiologi och evolution
Tillhandahålls av Society for Molecular Biology and Evolution
