Volgens Giobbe Forni, een onderzoeksmedewerker aan de Universiteit van Bologna:"Het in kaart brengen van de aan- en afwezigheid van eigenschappen op een soortboom suggereert dat sommige eigenschappen verloren zijn gegaan in de afstammingslijnen die tot bestaande soorten hebben geleid en vervolgens zijn hersteld. Vleugels bij wandelende takken worden beschouwd als een van de meer iconische voorbeelden van dit evolutionaire proces."

Dit impliceert dat de genen die aan deze eigenschappen ten grondslag liggen, behouden kunnen blijven, in sommige gevallen gedurende miljoenen jaren. Helaas is onderzoek naar de moleculaire basis van een dergelijke heropkomst schaars, waardoor de onderliggende mechanismen die verantwoordelijk zijn voor een dergelijke bewaring tot nu toe grotendeels openstaan ​​voor speculatie.

In een nieuwe studie gepubliceerd in Genome Biology and Evolution werpen Forni en zijn collega's licht op een andere complexe eigenschap die bij sommige wandelende takken verloren is gegaan:de productie van mannetjes.

Verlies van het vermogen om mannetjes voort te brengen resulteert in populaties van alleen vrouwtjes, die zich voortplanten door parthenogenese, een vorm van aseksuele voortplanting. Uit de studie blijkt dat genen die sterk verbonden zijn in regulerende netwerken en betrokken zijn bij meerdere biologische processen, in stand kunnen blijven lang nadat een eigenschap verloren is gegaan, wat een potentiële mogelijkheid biedt voor het opnieuw verschijnen van eigenschappen over lange evolutionaire tijdschalen.

In de nieuwe studie voerden Forni en zijn co-auteurs Barbara Mantovani, Alexander S. Mikheyev en Andrea Luchetti een vergelijkende analyse uit van drie soorten wandelende takken in het geslacht Bacillus. Terwijl de Bacillus grandii marettimi-populaties bestaan ​​uit mannetjes en vrouwtjes die zich seksueel voortplanten, omvat Bacillus atticus populaties met alleen vrouwtjes die zich voortplanten door middel van parthenogenese.

Een derde soort, Bacillus rossius, omvat zowel seksuele als parthenogenetische populaties. Door het lot te bestuderen van genen die betrokken zijn bij de mannelijke voortplanting bij deze drie soorten, probeerden de auteurs te onderzoeken in hoeverre genen behouden blijven na verlies van eigenschappen en de mogelijke mechanismen die dit behoud aansturen.

De onderzoekers identificeerden eerst gennetwerken waarvan de expressie gecorreleerd was met mannelijke of vrouwelijke reproductie in de seksuele soort B. marettimi en evalueerden vervolgens dezelfde genen in B. atticus en B. rossius. Verrassend genoeg vertoonden mannelijk-gerelateerde genen geen tekenen van verzwakte selectie of versnelde evolutie vergeleken met vrouwelijk-gerelateerde genen in de parthenogenetische soorten. Bovendien bleven de mannelijk-gerelateerde patronen van genexpressie gedeeltelijk behouden bij beide parthenogenetische soorten.

Dieper gravend ontdekten de onderzoekers dat genen in vrouwelijk-gerelateerde netwerken voornamelijk tot expressie kwamen in vrouwelijke voortplantingsweefsels, terwijl die in mannelijk-gerelateerde netwerken tot expressie kwamen in mannelijke en vrouwelijke voortplantingsweefsels, inclusief zowel seksuele als parthenogenetische vrouwtjes. Dit suggereert dat mannelijke genen ook een rol kunnen spelen bij de voortplanting van vrouwen.

De betrokkenheid van een gen bij meerdere biologische processen staat bekend als pleiotropie, en dit fenomeen zou het behoud van mannelijke genen in deze parthenogenetische wandelende takken kunnen verklaren, zoals eerder werd verondersteld.

Bovendien ontdekten de auteurs dat genen die sterk verbonden waren met veel andere genen in het netwerk een grotere kans hadden om tot expressie te komen in de voortplantingsweefsels van parthenogenen, wat suggereert dat de netwerkconnectiviteit van een gen ook het genbehoud ervan kan beïnvloeden na verlies van eigenschappen.

Alles bij elkaar duiden deze bevindingen erop dat "de moleculaire basis van het ooit verloren mannelijke voortplantingsproces kan blijven voortbestaan ​​als gevolg van pleiotrope effecten op andere eigenschappen", legt Forni uit. "Verschillende genen kunnen verschillende trajecten van behoud en verval volgen, afhankelijk van het niveau van pleiotropie binnen het genregulerende netwerk."

Deze studie werpt niet alleen licht op de persistentie van genetische architectuur na verlies van eigenschappen, maar biedt ook een potentiële blik in de opkomst van zeldzame mannetjes en cryptische seks (dat wil zeggen, episodische generatie van mannen en seksuele voortplanting), die in een toenemend aantal geslachten zijn waargenomen. waarvan men dacht dat ze al lang geleden het vermogen hadden verloren om mannetjes voort te brengen. Dit opent nieuwe potentiële wegen voor onderzoek, met implicaties die veel verder kunnen reiken dan wandelende takken.

"Kijken naar hoe wijdverspreid genetisch behoud na verlies van eigenschappen op grotere schaal plaatsvindt, blijft van fundamenteel belang. Hoewel het Bacillus-soortencomplex een mooi raamwerk biedt om deze problemen aan te pakken, zou het nuttig zijn om een ​​groter soortcomplex te analyseren waar meerdere overgangen tussen voortplantingsstrategieën hebben plaatsgevonden. ", merkt Forni op.

‘Hoewel het vaak nodig is om te vertrouwen op modelsoorten om biologische processen te ontdekken en te ontleden, is het zelfs nog belangrijker om onze hypothesen in een bredere context te testen. Dit zal alleen mogelijk zijn als we meer moeite doen om de verbazingwekkende diversiteit van soorten te observeren en te analyseren. organismen en hun ingewikkelde aanpassingen."

Meer informatie: Giobbe Forni et al., Parthenogenetische wandelende takken tonen handtekeningen van behoud in de moleculaire architectuur van mannelijke voortplanting, Genoombiologie en evolutie (2024). DOI:10.1093/gbe/evae073

Journaalinformatie: Genoombiologie en evolutie

Aangeboden door Society for Molecular Biology and Evolution