Dlaczego nimfy i dorosłe karaczany wyglądają prawie identycznie, a larwy motyli tak bardzo różnią się od form dorosłych? Co decyduje o typie metamorfozy u owadów? Jak ustalił międzynarodowy zespół badaczy z udziałem naukowców Uniwersytetu Jagiellońskiego, ewolucję tę może tłumaczyć poziom białka E93 w zarodku.
Tajemnica metamorfozy owadów fascynuje naukowców od dawna. Dzięki nowym technologiom pozyskiwania danych genomowych i ich analizie za pomocą bioinformatyki, część zagadek udało się w ostatnich latach rozszyfrować. Ważnym odkryciem było m.in. stwierdzenie, że czynnik zwany E93 determinuje przemianę osobnika młodego w dorosłego u wszystkich owadów, zarówno tych przechodzących metamorfozę prostą, jak i całkowitą. Niewiadomą pozostawało jednak to, w jaki sposób metamorfoza prosta ewoluowała do całkowitej i jaki genetyczny czynnik zadecydował o tym ewolucyjnym przejściu.
Opublikowane właśnie w prestiżowym amerykańskim czasopiśmie PNAS wyniki badań, które prowadzili wspólnie uczeni z Uniwersytetu Jagiellońskiego, Instytutu Biologii Ewolucyjnej w Barcelonie i Uniwersytetu w japońskim Kioto, rzucają nowe światło na to zagadnienie. Rezultaty prac naukowych wskazują, że poziom akumulacji czynnika E93 w trakcie rozwoju embrionalnego owadów może mieć kluczowy wpływ na ten proces. Badacze ujawnili, że czynnik E93 jest niezbędny do prawidłowego rozwoju embrionalnego owadów przechodzących przeobrażenie niezupełne, takich jak karaczany. Z kolei u owadów, które przechodzą przeobrażenie całkowite, takich jak muszki owocowe, E93 nie ulega ekspresji w zarodku.
Obserwacje te skłoniły nas do postawienia hipotezy, że E93 w zarodku jest niezbędny do powstania stadium młodocianego podobnego do stadium dorosłego (jak u owadów przechodzących metamorfozę prostą). Z kolei utrata embrionalnej ekspresji tego genu pozwoliła na pojawienie się metamorfozy całkowitej, w której stadia młodociane morfologicznie nie przypominają form dorosłych – wyjaśnia dr Guillem Ylla, kierownik Pracowni Bioinformatyki i Biologii Genomu na Wydziale Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego.
Dr Gabriela Machaj, współautorka pracy, przeprowadziła rozległą analizę setek zestawów danych transkryptomicznych pochodzących od kilkudziesięciu gatunków owadów. Transkryptomika to dziedzina nauk biologicznych, obejmująca zakres biologii molekularnej, genetyki i bioinformatyki, która zajmuje się badaniem ekspresji genów, czyli określeniem miejsca i czasu ich aktywności poprzez badanie transkryptomu (całego zestawu mRNA) obecnego w danym momencie w komórce, grupie komórek lub całym organizmie. Wyniki badań wykazały, że czynnik E93 jest obecny w zarodku wszystkich owadów przechodzących przeobrażenie proste i nieobecny w zarodkach owadów o metamorfozie zupełnej.
Wykorzystując dużą ilość danych transkryptomicznych, udowodniliśmy, że obserwacje poczynione początkowo na kilku modelowych owadach są w rzeczywistości prawidłowością występującą u wszystkich insektów – zwraca uwagę dr Machaj.
Według autorów, praca ta stanowi zmianę paradygmatu w badaniach i rozumieniu metamorfozy owadów. Mają nadzieję, że ich odkrycia doprowadzą do lepszego zrozumienia sposobu regulacji oraz ewolucji procesu metamorfozy.
Dwie strategie metamorficzne
W metamorfozie prostej, występującej m.in. u karaczanów czy koników polnych, z jaja wykluwa się nimfa, która wyglądem bardzo przypomina dorosłego osobnika. Nimfa rozwija się przez kilka wylinek, aby stać się zdolnym do reprodukcji dorosłym osobnikiem. Natomiast w przypadku metamorfozy zupełnej, charakterystycznej dla much czy motyli, z jaja wylęga się larwa, której wygląd bardzo różni się od wyglądu dorosłego osobnika. Larwa rośnie i przechodzi przez stadium pośrednie zwane poczwarką, aż wreszcie osiąga stadium dorosłe. Metamorfoza zupełna ma tę zaletę, że larwy i osobniki dorosłe nie konkurują o te same zasoby, jak to ma miejsce między nimfami i osobnikami dorosłymi u owadów o metamorfozie prostej.
U wszystkich owadów białko E93 promuje powstawanie osobników dorosłych w ostatnim stadium młodocianym. Dlatego zostało nazwane „determinantą dorosłości”. Opublikowane wyniki badań sugerują, że E93 odgrywa tę rolę już w zarodku owadów przechodzących przeobrażenie proste. E93 promuje powstawanie nimfy, która jest niczym innym, jak miniaturowym dorosłym. Obserwacje te skłoniły autorów do wysunięcia hipotezy, że redukcja ekspresji E93 w zarodku była warunkiem koniecznym do powstania larwy morfologicznie innej niż osobnik dorosły i, co za tym idzie, wyewoluowania metamorfozy całkowitej.
Mariusz Kopiejka, źródło: UJ