Chrząszcze odniosły sukces ewolucyjny, a zróżnicowanie chrząszczy wędrownych wynika głównie z ich unikalnego gruczołu tergalowego, który syntetyzuje chemikalia obronne.
Ta adaptacja, ewoluująca przez miliony lat, pozwoliła im zająć różnorodne nisze ekologiczne, podkreślając wpływ zmian komórkowych na[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>species evolution.
Evolutionary Mysteries and Beetle Diversity
As life on Earth evolved, some groups of organisms became incredibly diverse, while others remained relatively limited—or even disappeared entirely. Understanding why evolution favored certain groups over others has been a key question for scientists studying the history of life.
Beetles are a prime example of evolutionary success. With about 400,000 known species—roughly a quarter of all described life forms—and countless more likely undiscovered, their diversity is unmatched. Their beauty and variety captivated a young Charles Darwin and intrigued Alfred Russell Wallace, both co-discoverers of natural selection.
But what makes beetles so prolific? One popular explanation is their evolution of elytra—hardened, shield-like structures that protect their delicate flight wings. This adaptation allows beetles to thrive in environments inaccessible to many other insects. Another theory suggests that beetles co-evolved with flowering plants, diversifying alongside them as they adapted to feed on these plants.
Kilkudziesięcioletnia fascynacja Joe Parkera robakami i chrząszczami doprowadziła do jego niedawnej nominacji na stanowisko adiunkta w Caltech. Jako entomolog bada poszczególne gatunki chrząszczy, które mogą pomóc nam odpowiedzieć na niektóre z podstawowych pytań ewolucji.
Unikalne cechy chrząszczy wędrownych
Jednak obie te koncepcje nie wyjaśniają największej ze wszystkich grup chrząszczy – chrząszczy wędrownych (Staphylinidae), rozległego promieniowania obejmującego ponad 66 000 gatunków – nie tylko największej rodziny chrząszczy, ale największej rodziny w całym królestwie zwierząt. Chrząszcze wędrowne stanowią zagadkę: wydaje się, że porzuciły silnie ochronne elytry i zamiast żerować na roślinach, są przeważnie drapieżne. Jednak eksplodowały w biosferze Ziemi, atakując każdą ziemską niszę, jaką można sobie wyobrazić w ciągu ostatnich 200 milionów lat.
Tym, co doprowadziło do tego niezwykłego sukcesu, było skupienie się na nowych badaniach przeprowadzonych przez naukowców w laboratorium Joe Parkera, adiunkta biologii i inżynierii biologicznej Chena Scholara i dyrektora Centrum Nauk Ewolucyjnych w Caltech. Badanie prowadzone pod kierunkiem byłej habilitowanej Sheili Kitchen zostało opublikowane w Internecie 17 czerwca w czasopiśmie Komórkawskazuje na ewolucję dwóch typów komórek, które tworzą gruczoł obronny przed substancjami chemicznymi w ciałach tych chrząszczy, będący katalizatorem ich globalnego promieniowania.
Moc Gruczołu Tergala
W 2021naukowcy z laboratorium Parkera badali gruczoł chrząszczy wędrownych zwany „gruczołem tergalowym” – strukturę znajdującą się na końcu ich elastycznego odwłoka. Zespół pokazał, że gruczoł tergalowy składa się z dwóch unikalnych typów komórek: jednej wytwarzającej toksyczne związki zwane benzochinonami oraz drugiej wytwarzającej płynną mieszaninę (lub rozpuszczalnik), w której rozpuszczają się benzochinony, tworząc silny koktajl, który chrząszcz wydziela w drapieżniki.
W nowej pracy Kitchen, Parker i ich współpracownicy złożyli całe genomy różnorodnego zestawu gatunków obejmujących drzewo ewolucyjne chrząszcza wędrownego i przeanalizowali geny ulegające ekspresji w dwóch typach komórek gruczołu. Dzięki temu odkryli starożytny zestaw narzędzi genetycznych, który wyewoluował ponad 100 milionów lat temu i wyposażył te owady w potężną ochronę chemiczną.
„Podczas składania genomów byliśmy zdumieni podobieństwem architektury genetycznej gruczołów u tej ogromnej grupy chrząszczy” – mówi Kitchen, obecnie adiunkt na Texas A&M University. „To wtedy zaczęliśmy przyglądać się konkretnym rodzinom genów i znaleźliśmy setki starożytnych genów, które znalazły nowe funkcje w gruczole, a także mały, ale niezbędny zestaw nowych ewolucyjnie genów. Te nowe geny odegrały kluczową rolę w ewolucji ich niesamowitej chemii u chrząszczy wędrownych. Opowiedzenie tej historii było możliwe dzięki naszemu fantastycznemu, interdyscyplinarnemu zespołowi złożonemu z biologów ewolucyjnych, ekologów chemicznych, biochemików zajmujących się białkami i mikroskopistów”.
Innowacje ewolucyjne i promieniowanie gatunkowe
Śledząc molekularne etapy ewolucji gruczołów, zespół zidentyfikował główną innowację ewolucyjną w sposobie, w jaki ewoluowały chrząszcze, aby bezpiecznie wytwarzać trujące benzochinony. Odkryli, że chrząszcze wędrowne odkryły mechanizm wydzielania toksyn, który jest uderzająco podobny do sposobu, w jaki rośliny kontrolują uwalnianie związków chemicznych odstraszających zwierzęta roślinożerne. Wiążą toksynę z cząsteczką cukru, czyniąc ją nieaktywną, a następnie oddzielają toksynę od cukru dopiero wtedy, gdy substancja chemiczna zostanie bezpiecznie wydzielona poza komórki chrząszcza.
„To dość niezwykłe, że chrząszcze bronione chemicznie połączyły ze sobą prawie ten sam mechanizm komórkowy co rośliny, aby nie zatruwać się własnymi paskudnymi chemikaliami” – mówi Parker.
Mechanizm ten wyewoluował na początku Kreda; po ich wyewoluowaniu chrząszcze zaczęły promieniować, tworząc dziesiątki, a być może setki tysięcy gatunków. „To archetypowa kluczowa innowacja. Kiedy wpadli na to rozwiązanie, z ewolucyjnego punktu widzenia naprawdę zajęło im to miejsce” – mówi Parker. Pokrewne linie chrząszczy wędrownych pozbawione gruczołu nie wykazywały takiego samego zróżnicowania ewolucyjnego i liczyły zaledwie dziesiątki do setek gatunków.
Ewolucja chemiczna i adaptacja ekologiczna
Badając skład chemiczny różnych gatunków, naukowcy odkryli, że choć dwa typy komórek tworzących gruczoł pozostały w dużej mierze takie same, wytwarzane przez nie substancje chemiczne mogą radykalnie ewoluować, dostosowując chrząszcze wędrowne do różnych nisz ekologicznych. Gruczoł można traktować jako swego rodzaju laboratorium chemiczne, w którym gatunek chrząszcza może syntetyzować związki potrzebne do życia w nowym środowisku. Na przykład jedna grupa chrząszczy wędrownych ewoluowała, aby żerować na roztoczach i zmieniła przeznaczenie gruczołu do wydzielania feromonów płciowych roztoczy; inny żyje w koloniach mrówek i wytwarza substancje chemiczne, które uspokajają skądinąd bardzo agresywne mrówki robotnice, umożliwiając chrząszczowi życie w symbiozie z mrówkami, a nawet żerowanie na nich.
„Gruczoł tergalowy chrząszcza wędrowca to niesamowite, programowalne urządzenie umożliwiające tworzenie nowych związków chemicznych i powstawanie nowych interakcji” – mówi Parker. „Umożliwiło to tym chrząszczom osiągnięcie skrajnych form specjalizacji ekologicznej. Bez gruczołu nie byłoby możliwości przedostania się do dziwnych i cudownych nisz, w których znalazły się te chrząszcze”.
Ironia adaptacji ewolucyjnych
Jak na ironię, zespół odkrył, że w jednej grupie chrząszczy gruczoł miał nadwyżkę w stosunku do wymagań. Według Kitchena: „Najwyraźniej, gdy wystarczająco długo pożyjesz w kolonii wojskowych składającej się z milionów agresywnych mrówek, gruczoł nie będzie Ci już potrzebny. Odkryliśmy, że chrząszcze, którym udało się nakłonić mrówki do przyjęcia ich do swoich społeczeństw, utraciły w procesie ewolucji gruczoły. W ich genach z zestawu narzędzi dla gruczołów zgromadziło się wiele inaktywujących mutacji. Kolonia mrówek to przerażające miejsce dla większości gatunków, ale dla tych chrząszczy jest to forteca wolna od niebezpieczeństw — zamiast tego oszukały mrówki, aby je chroniły”.
Nowe badanie podkreśla, jak zmiany ewolucyjne na poziomie komórkowym mogą mieć poważne, długoterminowe konsekwencje dla dywersyfikacji ekologicznej i ewolucyjnej. W tym przypadku przyczyniając się do nadmiernego zamiłowania natury do chrząszczy.
Odniesienie: „Genomowe i komórkowe podstawy innowacji biosyntetycznych u chrząszczy wędrownych” Sheila A. Kitchen, Thomas H. Naragon, Adrian Brückner, Mark S. Ladinsky, Sofia A. Quinodoz, Jean M. Badroos, Joani W. Viliunas, Yuriko Kishi, Julian M. Wagner, David R. Miller, Mina Yousefelahiyeh, Igor A. Antoshechkin, K. Taro Eldredge, Stacy Pirro, Mitchell Guttman, Steven R. Davis, Matthew L. Aardema i Joseph Parker, 17 czerwca 2024 r., Komórka.
DOI: 10.1016/j.cell.2024.05.012
Oprócz Kitchena i Parkera współautorami Caltech są absolwenci Thomas Naragon, Jean Badroos, Joani Viliunas, Yuriko Kishi i Julian Wagner (doktorat ’24); były doktorant Adrian Brückner; naukowiec zajmujący się mikroskopią elektronową Mark Ladinsky; byli studenci studiów magisterskich Sofia Quinodoz (doktorat, ’20) i David Miller (doktorat, ’22); była kierownik laboratorium Mina Yousefelahiyeh; Dyrektor Zakładu Genomiki Caltech Igor Antoshechkin; i profesor biologii Mitch Guttman. Dodatkowymi współautorami są K. Taro Eldredge z Uniwersytetu Michigan, Stacy Pirro z Iridian Genomes, Steven Davis z Amerykańskiego Muzeum Historii Naturalnej i Matthew Aardema z Montclair State University.
Fundusze zapewniły Centrum Nauk Ewolucyjnych Caltech, Fundacja Badań nad Naukami Przyrodniczymi, Narodowa Fundacja Nauki, Fundacja ds. Narodowe Instytuty ZdrowiaFundacja Shurl i Kay Curci, stypendium Fundacji Rity Allen, stypendium Pew Biomedical Scholarship, stypendium Alfreda P. Sloana, Iridian Genomes, Caltech’s Millard i Muriel Jacobs Genetics and Genomics Laboratory oraz Amerykańskie Muzeum Historii Naturalnej. Parker jest członkiem wydziału Instytutu Neuronauki Tianqiao i Chrissy Chen w Caltech.
