Det internationella teamet, som involverade forskare från University of Cambridge och Natural History Museum, gjorde sin upptäckt när de studerade utvecklingen av Lepidoptera – en grupp insekter inklusive fjärilar och nattfjärilar.
Att återanvända gener har visat sig vara en mångsidig och avgörande mekanism för evolution, vilket möjliggör diversifiering och anpassning av livet på jorden. Men exakt hur denna process sker är fortfarande dåligt förstådd. Teamets forskning, publicerad i tidskriften Nature Ecology &Evolution, hjälper till att kasta ljus över detta mysterium genom att detaljera de molekylära och evolutionära förändringarna som ligger till grund för utvecklingen av en komplex egenskap hos en giftig grupp larver.
"Vi var glada över att finna att det giftiga försvaret av cinnoberfjärilar utvecklades genom utvecklingen av nya molekylära interaktioner mellan två proteiner, vilket gjorde det möjligt för larverna att dra nytta av växtkemikalier", säger huvudförfattaren Dr Marta Maroja, tidigare från Cambridges zoologiska institution, och nu baserad vid Åbo universitet, Finland.
Cinnobermal (Tyria jacobaeae) finns över stora delar av Europa och Asien. Deras larver livnär sig uteslutande på de giftiga löven från ragwort-växter och binder växtkemikalierna för att bli osmakliga och därefter giftiga för potentiella rovdjur.
Genom en kombination av laboratorie- och fältexperiment testade teamet först den defensiva rollen av larvernas sekvestrerade toxiner. De fann att cinnobermallarver som hade livnär sig på ragwort avvisades och undveks av rovdjur, medan larver som fötts upp på växter som saknade defensiva kemikalier förlorade sina giftiga egenskaper och blev välsmakande för rovdjur.
Forskarna använde sedan en omfattande jämförande genomik-metod och analyserade genomen och transkriptom (uppsättningen av RNA-molekyler som uttrycks av genomet) av cinnobermallarver och flera relaterade arter. Denna analys avslöjade att larvernas giftiga försvar utvecklades som en konsekvens av förändringar inom en avgiftningsväg som normalt finns i matsmältningssystemet hos alla larver.
En gen som normalt är involverad i avgiftning av växtkemikalier i tarmen duplicerades i en cinnoberfjärils förfader, och kopian rekryterades därefter till silkeskörtlarna, som utsöndrar silke som används för att skapa deras skyddande kokonger. Larvens uppstötade silke fungerar som en försvarsmekanism och skapar ett obehagligt skumigt sekret som täcker deras kropp som är giftigt för rovdjur.
"Vår forskning pekar inte bara på ursprunget till det giftiga försvaret som finns i cinnobermallarver, utan belyser också hur deras förfader potentiellt skulle kunna utnyttja sin giftiga diet genom att återanvända komponenter i dess matsmältningsväg för avgiftning", säger seniorförfattaren Dr Mathieu Joron, också från University of Cambridges institution för zoologi, och baserad på Natural History Museum, London.
"Evolution ses ofta som en process för att bygga intrikata nya anpassningar från grunden. Men vår studie bidrar till en växande mängd forskning som visar hur evolution också kan agera genom att justera befintliga egenskaper, återanvända gener och molekylära mekanismer, för att producera komplexa nya egenskaper som har fascinerande konsekvenser för djurens ekologi, säger Dr Maroja.
