Vrouwelijke zwaluwstaartvlinders doen iets wat veel vlinders doen om te overleven:ze bootsen vleugelpatronen na, vormen en kleuren van andere soorten die giftig zijn voor roofdieren. Sommige - maar niet alle - zwaluwstaartsoorten hebben verschillende vormen van deze eigenschap ontwikkeld. Maar wat voor soort genetische veranderingen hebben geleid tot deze verschillende vermommingen, en waarom zouden sommige soorten een onverholen vorm behouden als mimicry een duidelijk evolutionair voordeel biedt?

In een nieuwe studie die deze week is gepubliceerd in Natuurcommunicatie , wetenschappers van de Universiteit van Chicago analyseren genetische gegevens van een groep zwaluwstaartsoorten om erachter te komen wanneer en hoe mimicry zich voor het eerst ontwikkelde, en wat die veranderingen sindsdien heeft veroorzaakt. Het is een verhaal dat ongeveer twee miljoen jaar geleden begon, maar in plaats van stabiel, progressieve veranderingen, een toevallige genetische verandering hielp bij het creëren van de eerste zwaluwstaartimitaties. En sindsdien is het blijven hangen.

"In vlinders met één kleurpatroon, we hebben een gen in een normale oriëntatie op het chromosoom. In de vlinders met het ongewone, alternatief kleurenpatroon, dat gen is uitgesplitst, omgedraaid, en op een gegeven moment weer in het chromosoom gesplitst, " zei Marcus Kronforst, doctoraat, universitair hoofddocent ecologie en evolutie aan UChicago en de senior auteur van de studie.

"Die flip, of inversie, voorkomt dat de twee genen recombineren als die twee verschillende soorten vlinders paren, dus ze hebben beide kopieën van het gen gedurende de evolutionaire tijd bewaard, sinds ze twee miljoen jaar geleden van hun gemeenschappelijke voorouder afsplitsten, ' zei Kronforst.

Voor een lange tijd, wetenschappers dachten dat vlindermimicry werd gecontroleerd door "supergenen, " groepen van verschillende nauw verbonden genen die altijd als een groep werden geërfd. In een onderzoek uit 2014, Kronforst en zijn collega's toonden aan dat wat een supergen lijkt te zijn, in feite een enkel gen is dat dubbelgeslacht wordt genoemd en dat de verschillende kleurpatronen en vormen regelt die we bij vrouwelijke zwaluwstaarten zien.

Het dubbelgeslachtgen stond al bekend om zijn rol bij het onderscheid tussen geslachten, maar bij vrouwen de omgekeerde, of omgedraaid, versie dicteert ook vleugelpatronen. Het kan nog steeds worden gezien als een supergen omdat het de hele, complex proces van vleugelpatronen, maar in dit geval het is slechts het enkele gen.

In de nieuwe studie onder leiding van postdoctoraal fellow Wei Zhang, doctoraat, het team analyseerde sequentiegegevens van het hele genoom van Papilio polytes, de Aziatische zwaluwstaartvlinder, en verschillende vergelijkbare soorten om te zien hoe ze aan elkaar verwant zijn, en hoe hun kopieën van dubbelseks zich verhouden. Met behulp van deze gegevens, het team vergeleek enkele alternatieve verklaringen voor de oorsprong van mimicry en identificeerde sleutelfactoren die verschillende vormen van mimicry op lange termijn in stand hebben gehouden.

De meest verwante soort aan de P. polytes-groep, genaamd Papilio protenor, is verspreid over het vasteland van Azië van India tot Japan en ontwikkelde geen mimiek - zowel mannen als vrouwen lijken op elkaar. Andere soorten die zich van het vasteland naar eilanden in de Filippijnen en Indonesië verspreidden, ontwikkelden drie of vier verschillende vormen, een kenmerk dat bekend staat als polymorfisme. Weer andere zwaluwstaartsoorten verspreiden zich verder naar Papoea-Nieuw-Guinea en de noordoostkust van Australië, maar die vrouwtjes vertonen slechts één vermomd vleugelpatroon.

De onderzoekers vergeleken de patronen die ze in de genoomsequentiegegevens zagen met enkele mogelijke verklaringen voor hoe deze mimiekpatronen zich in de loop van de tijd en geografie ontwikkelden. Is mimicry onafhankelijk geëvolueerd in verschillende soorten op verschillende tijdstippen? Evolueerde het in één soort, en vervolgens verspreid door kruising of hybridisatie?

Het lijkt erop dat mimicry eigenlijk een enkele oude oorsprong heeft, toen het dubbelgeslachtgen twee miljoen jaar geleden omsloeg. Sinds die eerste inversie, Zhang en Kronforst zagen wel tekenen van wat bekend staat als balancerende selectie. Wanneer een soort vlinder vaker voorkomt, roofdieren realiseren zich dat ze niet giftig zijn en beginnen zich ermee te voeden. Dit vermindert het aantal van die specifieke vlinder, totdat een andere vaker voorkomt, enzovoort. Uiteindelijk komt dit proces in evenwicht en behoudt het relatieve aantal van elke vorm.

Ze zagen ook dat sommige vlinderpopulaties al miljoenen jaren meerdere vrouwelijke vormen hebben behouden, terwijl anderen het origineel verloren, onverholen vorm. historisch, de kleinste groepen, bijv. degenen die zich het verst naar Australië verspreidden - verloren het polymorfisme, willekeurige genetische drift en natuurlijke selectie toestaan ​​om de oorspronkelijke vorm uit te roeien.

De onderzoekers keken ook naar wat het polymorfisme in de loop van de tijd in stand hield. Een oorzaak kan seksuele selectie zijn, dat mannen bepaalde vrouwelijke kleurpatronen verkiezen boven andere. Eerder onderzoek naar paargedrag ondersteunt dat idee echter niet. Een andere mogelijkheid is "crypsis, " of het idee dat onverholen vrouwtjes beter opgaan in hun natuurlijke omgeving dan de nabootsers. Kronforst en het team testten die hypothese door mimetische en niet-mimetische vrouwtjes te vergelijken met een groene bosachtergrond met behulp van modellen voor het zicht van roofdieren (dwz vogels). mimetisch, onverhulde vrouwtjes gaan niet meer op in de achtergrond dan ze nabootsen, dus dit idee is ook uit.

Die twee bevindingen, gecombineerd met de genomische sequentiegegevens, bracht de onderzoekers ertoe na te denken over een andere intrigerende mogelijkheid. Het kan zijn dat de genetische veranderingen die in de eerste plaats tot mimicry hebben geleid, ook nadelen op de lange termijn hebben ingebouwd. Toen het oorspronkelijke dubbelgeslachtgen omgekeerd was, het droeg waarschijnlijk een heleboel ander niet-verwant genetisch materiaal met zich mee. Aangezien het omgedraaide dubbelgeslacht-gen niet kan worden gerecombineerd met zijn originele versie, de extra dingen zijn sindsdien "gelift" - en het kan gevolgen hebben. In feite, sommige onderzoeken tonen aan dat vrouwelijke nabootsers niet zo lang leven als standaardimitaties.

"We denken dat een heleboel verschillen per ongeluk zijn vastgelegd toen een kopie van het gen omdraaide en de mimetische kopie werd. Omdat veel van die veranderingen functioneel zijn, ze kunnen schadelijk zijn voor de gezondheid, ' zei Kronforst.

"Het idee is dat je dit vastgebonden nadeel van mimicry hebt. De standaard vrouwtjes hebben niet de bescherming van mimicry, maar ze hebben ook niet deze inherente genetische kosten en deze twee dingen compenseren elkaar", zei hij.

Nu ze een deel van de geschiedenis achter de evolutie van mimiek hebben ontrafeld, Kronforst zei dat zijn team op zoek wil gaan naar de specifieke genetische mutaties op dubbelgeslacht die verschillende soorten mimicry veroorzaken.

"Als we manieren kunnen vinden om alle verschillen die we zien te doorbreken, we zouden het moeten kunnen beperken tot iets dat veel discreter is dan alle verschillen die we nu zien, " hij zei.

De studie, "Het traceren van de oorsprong en evolutie van supergene mimicry in vlinders, " werd ondersteund door de onderzoeksfondsen van de Universiteit van Chicago, Neubauer, een Pew Biomedical Scholars Fellowship, de National Science Foundation en de National Institutes of Health. Andere auteurs zijn onder meer Erica Westerman van de Universiteit van Arkansas, samen met Eyal Nitzany en Stephanie Palmer van de Universiteit van Chicago.