Przejdź do głównej treści

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Wiadomości

Nawigacja okruszkowa Nawigacja okruszkowa

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Na tropie rozwikłania tajemnicy metamorfozy u owadów

Na tropie rozwikłania tajemnicy metamorfozy u owadów

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.

 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

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.

Polecamy również
Dr Renata Mężyk-Kopeć z WBBB UJ laureatką konkursu NCN Weave-UNISONO

Dr Renata Mężyk-Kopeć z WBBB UJ laureatką konkursu NCN Weave-UNISONO

Sukcesy studentów SKN Terapii Celowanej i Układów Supramolekularnych UJ CM

Sukcesy studentów SKN Terapii Celowanej i Układów Supramolekularnych UJ CM

Naukowcy sprawdzą, jak studenci łączą edukację ze sprawowaniem opieki nad osobami starszymi

Naukowcy sprawdzą, jak studenci łączą edukację ze sprawowaniem opieki nad osobami starszymi

Student UJ CM współautorem projektu nagrodzonego w konkursie "<span lang='en'>Direction: Space</span>"

Student UJ CM współautorem projektu nagrodzonego w konkursie "Direction: Space"

Widok zawartości stron Widok zawartości stron