Геномы бабочек и мотыльков практически не изменились за 250 млн лет эволюции

Самый обширный анализ такого рода показывает, что хромосомы бабочек и мотыльков остались практически неизменными с момента их последнего общего предка более 250 миллионов лет назад.

Эта стабильность сохраняется, несмотря на невероятное разнообразие форм крыльев, размеров и гусениц, наблюдаемое сегодня у более чем 160 000 видов по всему миру.

Исследователи из Института Сэнгера (Wellcome Sanger Institute) и их коллеги из Эдинбургского университета проанализировали и сравнили более 200 высококачественных геномов бабочек и мотыльков на уровне хромосом, чтобы лучше понять их эволюционную историю.

Далее они обнаружили редкие группы видов, которые нарушили эти генетические нормы и подверглись генетическим перестройкам, включая слияние хромосом — когда две хромосомы сливаются — и деление — когда одна хромосома расщепляется.

Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Ecology and Evolution, проливают свет на жесткие ограничения, регулирующие эволюцию генома у этих экологически важных насекомых. Они также позволяют понять, какие факторы позволили отдельным видам нарушить эти правила эволюции. Эти сведения могут помочь в работе по сохранению природы, определяя целевые стратегии, отслеживая состояние экосистем, адаптируясь к изменению климата и включая генетическую информацию в более широкие природоохранные инициативы.

Работа является частью Дарвиновского проекта «Древо жизни», направленного на изучение всех 70 000 видов животных в Великобритании и Ирландии, и вносит вклад в более масштабный проект „Биогеном Земли“, направленный на изучение всех 1,6 миллиона видов на Земле.

Исследование поднимает более широкие вопросы о том, как хромосомные изменения формируют биоразнообразие с течением времени. Исследователи продолжат целенаправленную работу по изучению всех 11 000 европейских видов бабочек и мотыльков в рамках недавно запущенного проекта «Психея».

Бабочки и мотыльки — в совокупности называемые Lepidoptera — составляют 10 процентов всех описанных видов животных и являются чрезвычайно важными опылителями и травоядными во многих экосистемах.

В новом исследовании ученые из Института Сэнгера (Wellcome Sanger Institute) и их соавторы поставили перед собой задачу понять процессы, определяющие эволюцию хромосом этой весьма разнообразной группы.

Они идентифицировали 32 предковых строительных блока хромосом, названных «элементами Мериана» в честь энтомолога-первооткрывателя XVII века Марии Сибиллы Мериан4, которые сохранились у большинства видов бабочек и мотыльков со времен их последнего общего предка более 250 миллионов лет назад.

За исключением одного древнего события слияния двух хромосом, которое привело к появлению 31 хромосомы у большинства современных видов5, хромосомы большинства современных видов напрямую соответствуют этим предковым элементам Мериан. Команда обнаружила, что не только хромосомы невероятно стабильны, но и порядок расположения генов в них.

Команда обнаружила несколько видов с незначительными изменениями, в основном связанными со слиянием небольших аутосом6 и половой хромосомы. Это подчеркивает роль длины хромосом как движущей силы эволюционных изменений.

Однако исследователи обнаружили редкое подмножество видов, таких как голубые бабочки — Lysandra — и группа, содержащая капустных белянок — Pieris — которые не поддались этим ограничениям структуры генома. Эти группы претерпели обширную перестройку хромосом, включая разрыв хромосом и крупномасштабную перестройку путем деления и слияния.

Работа расширяет понимание факторов, которые приводят к генетическому разнообразию внутри этих насекомых. Это может помочь в работе по защите и сохранению конкретных видов, сталкивающихся с уникальными проблемами и изменениями окружающей среды, связанными с изменением климата.

Шарлотта Райт, первый автор исследования из Института Wellcome Sanger, сказала:

Хромосомы большинства современных бабочек и мотыльков можно напрямую проследить до 32 предковых элементов Мериана, которые существовали 250 миллионов лет назад. Поразительно, что, несмотря на значительную диверсификацию видов, их хромосомы остались удивительно нетронутыми. Это опровергает идею о том, что стабильные хромосомы могут ограничивать диверсификацию видов. На самом деле, эта особенность может быть основой для создания разнообразия. Мы надеемся найти подсказки в редких группах, которые обошли эти правила.

Профессор Марк Блакстер, старший автор исследования и руководитель программы «Древо жизни» в Институте Веллкома Сэнгера, добавил в заключение:

Подобные исследования, позволяющие нам проникнуть в суть эволюционных процессов, возможны только благодаря таким инициативам, как Дарвиновский проект «Древо жизни», в рамках которого создаются высококачественные и общедоступные геномные сборки. Мы активизируем эти усилия в рамках проекта „Психея“, цель которого — изучить все 11 000 видов бабочек и мотыльков в Европе, сотрудничая с коллегами по всему континенту».

Поскольку они они одновременно жизненно важные опылители, травоядные и источники пищи для различных экосистем, а также мощные индикаторы здоровья экосистем, более глубокое понимание биологии бабочек и мотыльков в рамках проекта «Психея» поможет в будущих исследованиях по адаптации и видообразованию для сохранения биоразнообразия.

21.02.2024