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昆虫はわずか2つの新しい遺伝子で水域を征服しました


ダーウィンが自然選択の理論を発表して以来、進化の新奇性の問題は生物学者の興味をそそってきました。自然淘汰が既存の形質をどのように再形成できるかを理解するのは比較的簡単です。角を大きくしたり、足を長くしたり、翼をよりカラフルにしたりします。しかし、完全に形成された特性が、明確な前例がなく、突然現れることがあります。どこから来たの?

答えの一部は、今日 Science に掲載された新しい研究で見つけることができます これは、わずか 1 つまたは 2 つの新しい遺伝子の突然の出現が、生物の外見、行動、および生態学的ニッチを大きく変える可能性があることを示しています。発生遺伝学、進化分析、生体力学、および生態学を使用して、研究者は水生昆虫の 1 つのグループ内で重要な新奇性がどのように進化したかを描写します。しかし、進化的革新のモデルとしての発見の重要性は、動物界全体に及ぶ可能性があります.

「人々は、比較ゲノミクスによって、新しい遺伝子が新しい構造に関与できることを示してきました。しかし、私の知る限りでは、新しい遺伝子から新しい構造への直接的なつながりが、まったく新しい生態学的機会の侵入につながることが確立されたのはこれが初めてです。」アメンボと呼ばれる繊細な昆虫の研究を主導したリヨンのゲノミクス。



アメンボは、静かな水の表面をナビゲートすることに長けています。彼らは世界中の池や湖を滑空します。熱帯属 Rhagovelia のもの しかし、彼らはまた、流れの速い小川や乱流の急流を歩く方法も考え出しました。彼らの秘密の資産は、他のアメンボにはない日本のファンに似た中足の特別な伸縮可能な構造です.ファンを展開することで、昆虫は水面との足の接触を増やし、より強力に水を押すことができます.これは巧妙な適応ですが、Rhagovelia はどのように 他のアメンボに前駆体がない場合に取得しますか?

脚のファンがどこから来たのかを理解するために、Khila と彼のポスドク研究員である Emília Santos は、2 人の学生とともに、最初に研究室でアメンボを飼育する方法を見つけなければなりませんでした。気難しい種。卵から成虫までのライフサイクル全体で昆虫を維持する方法を理解するのに約3年かかりました.コロニーが確立されると、チームは実験の準備が整いました。

キーラとサントスは、Rhagovelia の発達中の脚をすりつぶします。 アメンボを調べ、トランスクリプトームの配列を決定しました。これは、これらの組織で活性な遺伝子の完全なスイートです。ファンは 2 番目の脚のペアにのみ存在するため、研究者は 2 番目のペアの遺伝子活性を最初と 3 番目のペアの遺伝子活性と比較しました。彼らは、第 2 脚でのみ過剰発現する約 80 ~ 90 の遺伝子を発見しました。

次に、彼らは in situ ハイブリダイゼーションと呼ばれる方法を使用して、脚のどこで 80 ~ 90 の遺伝子が活性化されているかを突き止めました。 Khila と Santos は、そのグループから 5 つの遺伝子を特定しました。これらの遺伝子は、扇が発達する第 2 脚の先端で特異的に発現していました。 5つのうち3つは、昆虫の外骨格の保護外層であるクチクラの構造に関連していました。他の 2 つの遺伝子は、パラログ (DNA の重複イベントの結果である遺伝子) のように見えました。パラログの機能は不明でした。

2 つのパラログの機能に関する手がかりを求めて、研究者は多くのアメンボ種にわたって遺伝子を探しました。アメンボの血統における遺伝子の進化の歴史を調べることで、研究者は遺伝子の祖先のコピー (より最近の複製とは区別される) を明らかにし、複製が出現した進化上の瞬間を突き止めました。 ラゴベリア 属。 Rhagovelia のアメンボのみ 属には重複した遺伝子があり、足のファンを持つ唯一のものでもあります.

「扇の進化は、その遺伝子の複製と一致します」とキラは言い、脚の先端での遺伝子の発現が重要であることにも注目しました。 「これは決定的な証拠です。」

脚の扇子は研究者に日本の扇子を思い出させたので、彼らは新しい遺伝子をgeishaと呼ぶことにしました。 とその祖先のバージョン 芸者の母 .遺伝子が何をしているかを知るために、彼らは RNA 干渉と呼ばれる方法を使用して、それらの遺伝子の発現を「ノックダウン」(または停止) しました。 芸者のノックダウン 芸者の母 結果として得られた昆虫は、小さくて初歩的なファンしか作れませんでした. (2 つの遺伝子間の配列の類似性が強いため、科学者はまだ一方をオフにすることができず、そのため、それらの機能の違いはまだ不明です。)



キラとサントスは水中の昆虫に挑戦し、扇風機が彼らのために何をしているのかを突き止めました。彼らは 4 つのグループを比較しました:Stridulivelia と呼ばれるアメンボの近縁種です。 ファンがいない、未処理の Rhagoveliaラゴベリア ファンが外科的に取り除かれたものと Rhagovelia 芸者 芸者の母 RNA 干渉によってノックダウンされました。

研究者たちは、昆虫が2つの異なる水環境にどのように対処するかを観察しました。穏やかな水域では、扇風機は移動速度の利点を提供するようには見えませんでしたが、扇風機を備えたアメンボは脚のストロークごとに遠くに行くことができました。つまり、よりゆっくりと漕ぐことができました. 「だから彼らは一生懸命働かなくても同じように速く走れるのです」とキラは言いました。

しかし、水が流れるという困難な環境では、扇風機は決定的な利点を提供しました。扇風機のない昆虫は流れによって押し流される一方で、扇風機は昆虫を上流に移動させることを可能にしました。 ラゴベリア 初歩的なファンしか発達させなかったノックダウンされた遺伝子は、ゆっくりと動く水には対処できたが、より速い速度では失敗した。要するに、原始的な形であっても、ファンは Rhagovelia を可能にするために重要でした。 密接に関連する種ができなかった流水を移動する種。

Khila は、バイオメカニクス、トランスクリプトミクス、進化生物学、生態学、発生遺伝学を組み合わせた実験はめったにないと述べたが、表現型の進化がどのように起こるかについて完全な答えを提供するには、その組み合わせが必要である.

マギル大学の進化発生生物学者である Ehab Abouheif 氏は、次のように述べています。 (Abouheif はこの研究には関与していませんでしたが、2006 年から 2011 年の間、Khila のポスドク アドバイザーでした。) Abouheif によると、Khila は、この新しい遺伝子がアメンボのファンであることを示しただけではありません。彼はまた、「その進化の歴史を再構築し、生態学的機能を持っていることを示すためにトレードマークの生態学的テストを行います。」

デューク大学の進化発生生物学者であるグレッグ・レイは、「この研究は本当に印象的です。 「通常、このようなものは、おそらく異なるグループによって一定期間にわたって組み立てられ、その後、それらを結び付ける最後のピースがあります。このように、基本的にプロジェクトの弧全体を一度に移動できるのは印象的です.

「私が興味深いと思うもう1つのことは、明らかな形質を引き起こす遺伝子変化を正確にズームインするために、遺伝学がなくても遺伝子発現を使用できた例はそれほど多くないということです」と彼は付け加えた. 「それもかなり印象的です。」

もちろん、遺伝子 芸者 芸者の母 孤立して行動しないでください。キラと彼のチームは現在、ファン構造を生み出す完全な発生遺伝的ネットワークを明らかにするために、他の遺伝子がそれらと相互作用するものを見つけようとしています.レイは 芸者 を疑っています。 芸者の母 別の目的を持つ遺伝子ネットワークを採用しています。 「これらの 2 つの遺伝子だけで構造を作っているとは想像しがたいです」と彼は言いました。 「彼らは、発生において別の役割を持つ別の遺伝子を取り込んでいると推測します。」

とはいえ、この研究に精通している生物学者も、芸者が興味深いと考えています。 芸者の母 発生において既知の役割を持たない新しい遺伝子です。インディアナ大学の進化発生生物学者Armin Moczek氏は、電子メールで次のように述べています。 .

「蝶の翅の斑点からカブトムシの角、そして他の多くの例に至るまで、出現するイメージは、レゴの創造物としての生物のイメージであり、遺伝子、発生経路、および形態形成プロセスの同じ、そして一見非常に限られたプールの修正された再構築です」とMoczekは述べています。続けた。 「私たちは現在、共同オプションによって可能になる目新しさを期待しています。この論文が示しているのは、新しい遺伝子が引き続き重要であることです。」近縁種間でさえ、新しい遺伝子の突然の出現は「生態学的に重要なイノベーション」を促進するのに役立つ可能性があると彼は言いました。

マクマスター大学でハエの進化を研究している遺伝学者のイアン・ドワーキンは、進化的変化における発生メカニズムの役割を調べているエボ・デボ研究の文献には、採用された遺伝子の例が豊富にあると指摘しました。はっきりしていないのは、その存在量が自然界で共同選択が発生する頻度を反映しているのか、それとも確認バイアス (生物学者が進化と進化を研究する方法によって導入された系統的なサンプリング エラー) の結果であるのかということです。 「新しい遺伝子に関係するクールなイノベーションを見るのは素晴らしいことです。これは単なる共同選択の話ではありません」と彼は言いました。 「だからこそ、これは本当にエキサイティングです。」

Dworkin は geisha を挿入してアクティブ化するかどうか疑問に思います 芸者の母 ストリデュリベリア Rhagoveliaのファンのない姉妹属 、レッグファンの開発をトリガーするには十分です。この実験を非モデル生物で成功させるのは非常に難しいだろうが、「それは、それがその重要な遺伝子であることを実証するための本当のキッカーになるだろう.」と彼は言った.

進化論の科学者は、古い遺伝子の共同選択や新しい遺伝子の出現を排他的な選択肢として考えることで、わだち掘れに陥ることがよくある、と Abouheif 氏は述べた。しかし、この研究は、進化は、古いものを再利用し、新しいものをネットワークに追加して目新しさを生み出すことにより、両方の混合である可能性があることを思い出させてくれます.研究者が熟考すべき問題は、「これらのネットワークはどのように組み立てられるのか?」です、と彼は言いました。



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