Badania muszek owocowych oferują nowy wgląd w ewolucję plemników

Plemniki są najbardziej zróżnicowanym i szybko rozwijającym się rodzajem komórek. Dlaczego plemniki przeszły tak dramatyczną ewolucję, pozostaje tajemnicą, która wprawia biologów od ponad wieku.

Aby rozwiązać tę ewolucyjną zagadkę, naukowcy z Centrum Ewolucji Reprodukcyjnej (CRE) Uniwersytetu Syracuse spędzili dziesięciolecia na badaniu biologii godów muszek owocowych. Te małe i niepozorne na zewnątrz owady skrywają w sobie wielki sekret reprodukcji: gigantyczne plemniki.

Muszki owocowe wykazują większe zróżnicowanie w długości plemników niż reszta całego królestwa zwierząt razem wzięta. Na przykład samce jednego gatunku muszki owocowej, Drosophila bifurca, zapładniają swoje partnerki zaledwie kilkudziesięciu plemników, z których każdy ma gigantyczną długość 5,8 cm (około 20 razy dłuższą niż ciało samicy) i jest zwinięty jak kłębek włóczki .

Badania przeprowadzone przez członków Centrum Ewolucji Reprodukcyjnej SU, w tym profesora biologii Weeden Scotta Pitnicka, profesora biologii Steve’a Dorusa, adiunkta biologii Yasira Ahmeda-Braimaha i ich studentów, wykazały, że dobór płciowy faworyzuje dłuższe plemniki, co jest teoretyczne podstawy położył Karol Darwin w 1871 roku w swojej przełomowej książce „O pochodzeniu człowieka i selekcji w odniesieniu do płci”.

Zasadniczo długie ogonki plemników ewoluowały, ponieważ są lepiej wyposażone niż krótsze plemniki do walki o zapłodnienie komórek jajowych oraz ponieważ żeńskie drogi rozrodcze są zaprojektowane tak, aby faworyzować zapłodnienie na korzyść dłuższych plemników.

Innymi słowy, długie ogony plemników są komórkowym, pokryciowym odpowiednikiem ogonów pawia. A właściwie poprzednia publikacja Centrum Ewolucji Badań w czasopiśmie Natura pokazało, że ogony plemników muszki owocowej rywalizują z piórami ogona bażanta, porożem jelenia, rogami chrząszcza gnojowego, podgardlem jaszczurki i innymi z listy przebojów najseksowniejszych ozdób natury i najbardziej zastraszającej broni.

Możliwość testowania podstaw teorii doboru płciowego i opracowywania nowych hipotez na temat ewolucji cech płciowych jest utrudniona ze względu na ograniczone informacje na temat genetyki leżącej u podstaw takich cech.

Jednak nowe badanie przeprowadzone przez Centrum Ewolucji Reprodukcyjnej we współpracy z naukowcami z Uniwersytetu Stanforda, Cornell University, Virginia Tech i Uniwersytetu w Zurychu rzuca światło na genetykę długości plemników muszki owocowej i odpowiedzialnego za to żeńskiego narządu rozrodczego dla jego ewolucji.

Ich ustalenia, opublikowany w dzienniku Ekologia i ewolucja przyrodymoże pogłębić nasze zrozumienie wszystkich preferencji partnerów i ozdób seksualnych. Zespół badawczy najpierw zmierzył długość plemników i długość żeńskiego naczynia nasiennego (SR), które stanowi anatomiczną podstawę „wyboru plemników” u 149 gatunków muszek owocowych.

Po zsekwencjonowaniu pełnych genomów każdego z tych gatunków (opublikowano w Biologia PLOS) badacze zmapowali cechy na drzewie życia muszki owocowej, aby odkryć, w jaki sposób te oddziałujące na siebie cechy męskie i żeńskie ewoluowały w ciągu ostatnich 65 milionów lat.

Następnie badacze przeprowadzili podejście „badanie asocjacji całego genomu”, aby zidentyfikować geny kandydujące leżące u podstaw zmienności plemników i długości SR w laboratoryjnym modelu muszki Drosophila melanogaster. Co zaskakujące, tylko około 19% genów determinujących zmienność długości plemników wykazywało tendencyjną ekspresję w jądrach i wiadomo, że kodują spermatogenezę.

Większość zidentyfikowanych genów kodujących długość plemników jest przede wszystkim odpowiedzialna za rozwój i funkcjonowanie centralnego układu nerwowego, a także za wzrok i węch. Zmienność genetyczną długości plemników powiązano także z płodnością samic przez całe życie, odpornością na głód i zdolnością do znalezienia pożywienia.

Innymi słowy, poprzez ewolucję dróg rozrodczych zaprojektowanych tak, aby zapewnić samcom posiadającym dłuższe plemniki przewagę w rywalizacji o zapłodnienie jaj, dobór płciowy zapewnił samicom środki do względnego poszukiwania „dobrych genów” – tych, które zwiększają przeżycie i reprodukcję – przekazać je potomstwu.

Na koniec wykorzystano złożony algorytm (i około 15 milionów godzin czasu obliczeniowego w sieci komputerowej OrangeGrid Uniwersytetu Syracuse) do zidentyfikowania genów, w przypadku których tempo ewolucji sekwencji nukleotydowej znacząco koreluje z ewolucją plemników i długości SR w drzewie gatunków. Podejście to wzmocniło genetyczne nakładanie się długości plemników na rozwój i funkcjonowanie układu nerwowego.

To wysoce integracyjne podejście niesie ze sobą ogromne nadzieje nie tylko w zakresie poszerzenia wiedzy badaczy na temat genetyki ewolucyjnej plemników, ale także na temat podstawowych aspektów różnorodności biologicznej.