Dlaczego nimfy i dorosłe karaczany wyglądają prawie identycznie, a larwy motyli tak bardzo różnią się od form dorosłych? Co za tym stoi? Co decyduje o typie metamorfozy u owadów? Jak ustalił międzynarodowy zespół badaczy, w skład którego weszli naukowcy z Wydziału Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego, Instytutu Biologii Ewolucyjnej w Barcelonie oraz Uniwersytetu w Kioto, ewolucję metamorfozy u owadów może tłumaczyć poziom białka E93 w zarodku.
- Tajemnica metamorfozy owadów fascynowała ludzi od niepamiętnych czasów. W ciągu ostatnich 10 lat dokonano wielkiego postępu w tej dziedzinie i odkryto wiele szczegółów tego procesu - mówi prof. Xavier Bellés z hiszpańskiej Consejo Superior de Investigaciones Científicas (Wyższa Rada Badań Naukowych).
- Ogromna część postępu, jaki dokonał się w ostatnich latach w zrozumieniu procesu metamorfozy, wynika z zastosowania nowych technologii pozyskiwania danych genomowych i ich analizy z wykorzystaniem bioinformatyki – dodaje dr Guillem Ylla, kierownik Pracowni Bioinformatyki i Biologii Genomu Wydziału Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii UJ.
Ważnym odkryciem na drodze do "rozszyfrowania" mechanizmu metamorfozy było stwierdzenie, że czynnik zwany E93 determinuje przemianę osobnika młodego w dorosłego u wszystkich owadów, zarówno tych przechodzących metamorfozę prostą, jak i całkowitą. Jednak, jak zauważa prof. Xavier Bellés, wciąż tajemnicą pozostawało, w jaki sposób metamorfoza prosta ewoluowała do całkowitej i jaki genetyczny czynnik zadecydował o tym ewolucyjnym przejściu.
Świeżo opublikowane w prestiżowym amerykańskim czasopiśmie PNAS ("The Proceedings of the National Academy of Sciences") wyniki badań, które prowadzone były wspólnie przez naukowców z Uniwersytetu Jagiellońskiego i Instytutu Biologii Ewolucyjnej w Barcelonie, rzucają światło na istotne aspekty tej niewiadomej. Rezultaty prac naukowych wskazują, że poziom akumulacji czynnika E93 w trakcie rozwoju embrionalnego owadów może mieć kluczowy wpływ na ten proces.
W opublikowanym artykule ujawniono, 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.
Obniżony poziom E93 na początku rozwoju embrionalnego powoduje, że zarodek karaczana, w tym przypadku prusaka (Blattella germanica), nie rozwija się prawidłowo. Po lewej stronie znajduje się normalny embrion, a po prawej embrion ze zredukowanym poziomem E93. Białko E93 jest więc kluczowe dla udanego tworzenia się zarodka i nimfy karaczana.
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 bioinforamatyki, 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 prowadzonych przez dr Machaj 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, udało się nam udowodnić, że obserwacje poczynione początkowo na kilku modelowych owadach są w rzeczywistości prawidłowością występującą u wszystkich insektów – mówi dr Machaj.
- Piękno tej pracy polega na tym, iż udało się dostrzec pewną regularność świata przyrody, a właśnie do tego dążymy jako naukowcy – podkreśla dr Guillem Ylla.
Według autorów praca ta stanowi zmianę paradygmatu w badaniach i rozumieniu metamorfozy owadów. W związku z tym 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.
Praca opublikowana w PNAS jest wynikiem międzynarodowej współpracy pomiędzy Uniwersytetem Jagiellońskim w Krakowie, Instytutem Biologii Ewolucyjnej (CSIC-UPF) w Barcelonie (Hiszpania) oraz Uniwersytetem w Kioto (Japonia).
Artykuł jest dostępny na stronie www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2216640120.
