Каждую осень бабочки-монархи (Danaus plexippus) отправляются в тёплые края для зимовки, преодолевая огромные расстояния. Теперь биологи секвенировали 101 геном этих насекомых и переписали эволюционную историю вида, попутно выяснив, почему крылья монархов окрашены в оранжевый цвет и как их мышцы переносят такие долгосрочные перелёты.
"Это удивительно полное применение геномики при выяснении известной загадки естествознания, – говорит Лоуренс Гилберт (Lawrence Gilbert), эволюционный эколог из Техасского университета. – Мы нашли объяснение структуре миграционных и оседлых популяций и уточнили некоторые гипотезы, касавшиеся биологии монархов".
Те бабочки-монархи, что обитают в Северной Америке, преодолевают тысячи километров, чтобы перезимовать в горах Мексики. Когда начинается весна, насекомые возвращаются на север после цветения растений молочая. Так как сезон продвигается по континенту, бабочки следуют за цветением молочая (именно в эти растения они откладывают яйца, а потом гусеница питается его листьями). Сначала они добираются до Вашингтона, округ Колумбия, а затем и в Канаду. Питаясь нектаром молочая, бабочки приобретают химические соединения, делающие их токсичными для хищников – об этом предупреждает их ярко-оранжевая расцветка и чёрный рисунок на крыльях.
Многие из близких родственников бабочки-монарха проживают в тропиках и не нуждаются в миграции. Эволюционные биологи предполагали, что североамериканские переселенцы восходят к немигрирующим видам Южной или Центральной Америки. Однако новое исследование показало, что это совсем не так.
Маркус Кронфорст (Marcus Kronforst), эволюционный биолог из Чикагского университета, и его коллеги ранее изучили другой род бабочек – Heliconius, и обнаружили ключевой ген, участвующий в формировании расцветки различных видов этого рода. Поэтому, когда геном бабочки-монарха был впервые секвенирован два года назад, исследователи решили выяснить, может ли также какой-то один ген быть ответственным за миграционное поведение монархов.
Объединив усилия с экспертами-инсектологами, Кронфорст получил ДНК 92 монархов и 9 других тесно связанных с ними видов. Образцы были собраны в разных частях Северной Америки, а также в Южной и Центральной Америке, где немигрирующие виды проводят целый год. Шуай Чжань (Shuai Zhan) из Шанхайского института биологических наук (SIBS) изучил последовательности всех этих геномов. Он и его команда сгруппировали геномы, чтобы построить генеалогическое древо.
Это древо и показало, что, вопреки ожиданиям, все монархи возникли из популяций, обитавших в южной части США или на севере Мексики. Затем виды разбились на три волны: одна отправилась на юг (в Южную и Центральную Америку), другая на восток через Атлантический океан и третья – на запад через Тихий океан. Исторические записи свидетельствуют, что произошло это в начале XIX века, однако, согласно данным исследования, – значительно раньше.
Кронфорст и Чжань сравнили ДНК "перелётных" и немигрирующих популяций. Около 500 генов оказались различными, многие – совсем несущественно. Но один ген мышц, называемый коллаген типа IV альфа 1 (collagen type IV alpha 1), резко выделялся. Этот ген есть и у многих других существ: например, у плодовых мушек, у которых в этом гене происходят мутации, начинается атрофия конечностей. У людей похожие мутации приводят к частым судорогам в мышцах. Исследователи ожидали, что у североамериканских монархов, летающих на большие расстояния, в организме будет гораздо больше коллагена, чем у их южноамериканских сородичей, – следовательно, ген будет более активным. Вместо этого оказалось, что ген менее активен именно у мигрантов: так или иначе, уменьшение количества коллагена в лётных мышцах сделало крылья более эффективными и сильными.
Что интересно, другая группа учёных также изучала геном бабочек-монархов, только не североамериканских, а гавайских, проживающих на острове Оаху (которые бывают как белые, так и оранжевые). Они считали, что ген, который ответственен за потерю цвета, будет участвовать в генерации пигмента, но оказалось, что он кодирует миозин — белок, необходимый для сокращения мышц. Генетические изменения миозина напомнили учёным линию мышей, у которых изменения в этом гене привели к появлению светлого меха вместо тёмного.
Добавим, что на проведение этой научной работы учёных толкнуло небывалое падение численности бабочек-монархов: в 2013 году их популяция сократилась до 33 миллионов. Вероятно, это произошло из-за уменьшения полей молочая, но биологи решили выяснить, можно ли помочь насекомым каким бы то ни было образом.
Научная работа была опубликована в издании Nature.
