これらの有毒な蝶が交尾しない理由は、彼らのDNAに書かれています

約10年前、進化生物学者のリチャード・メリルは「暑くて蒸し暑いパナマ」で1日数時間過ごし、 ヘリコニウスの蝶で満たされたケージに座って、性交を待っていました。

「魅力的ですね。」彼は笑います。

メリルは、オスのハイブリッドヘリコニウス蝶がホバリングまたは追いかけの形で浮かび上がるかどうかを、赤い翼のヘリコニアスメルポメンロジーナ蝶または白い翼のヘリコニアスシドノキオネウス蝶で追跡していました 。 彼はこの蝶の求愛を文書化して、交配種の配偶者の好みを研究し、彼と彼のチームは後に遺伝レベルで精査します。

自然界では、ハイブリッドヘリコニウス蝶はまれです。 Heliconius melpomeneとHeliconius cydnoはどちらも非常に有毒であり、独自のシアン化物を生成するように進化しており、捕食者はこれら両方の害虫がどのように見えるかを正確に学習しています。 ただし、2つの種が交配すると、それらの翼パターンは両方のカラーパターンの見当識障害のないマッシュアップになり、ハイブリッド蝶は捕食の際立ったターゲットになります。 その結果、雑種の寿命は繁殖する前に終わることがよくあります。

昨日ジャーナルPLOS Biologyで発表された論文で、メリルと彼の同僚は、これらの蝶の優先的な交尾行動が実際に彼らのDNAに書かれていることを初めて確認しました。 具体的には、彼のチームは、配偶者選択行動の少なくとも60％を制御するゲノムの3つの部分のみを発見しました。

「配偶者の嗜好のような複雑な行動は、ゲノムの3つの領域にしか関連付けられないことを示しています」と、研究に関与しなかったアーカンソー大学の進化生物学者Erica Westerman氏は述べています。 「これは、ゲノムの多くの領域に関連すると考えられているものです。 これらの遺伝子がこれらの蝶の行動にどのように影響するかを見るために、ターゲットを絞ったアプローチを取ることができます。」

正確にこれら2つのヘリコニウス蝶が別々の種のままである方法は、まだ謎のようなものです。 種分化、または新しい種を作成するプロセスは、単一の種を2つに物理的に分割するために、山のような地理的境界があるときに簡単に説明されます。 科学者を困惑させるのは、 H。melpomeneとH. cydnoが同じ生態系で互いに共存し、同じ資源を求めて100万年以上も競争してきたことです。 それでも、カラフルで有毒な蝶は2つの別個の種のままであり、それらの遺伝的特性の交尾と融合を拒否しています。

それは、生殖隔離と呼ばれる生物学的概念の完璧なデモンストレーションであり、 ヘリコニウス蝶は100年以上にわたって進化研究の主要な主題となっています。 科学者は、場合によっては強力な同種交配を通じて生殖隔離が維持されると仮定します。つまり、生物はそのように見える配偶子でのみ繁殖します。 したがって、それらを隔てる障壁は環境的なものではなく、むしろ遺伝的なものです。

現在ミュンヘンのルートヴィヒ・マクシミリアン大学に拠点を置くメリルと同僚は、交配行動に最も影響を与えるゲノムの領域を示す方法を使用しましたが、正確な遺伝子を特定しませんでした。 それでも、交配の選好に影響を与える3つの領域の1つはoptixと呼ばれる遺伝子の近くにあることを示すほど十分に分析が明確でした 。 （ Optixは色に強い影響を与えるため、遺伝子編集ツールCRISPRを使用してオン/オフを切り替えると、蝶の羽を完全に無色にすることができます。）実際、この遺伝子領域はわずか1.2センチモルガンです。これは距離の測定に使用される単位です。染色体上の遺伝子間-optix遺伝子から離れています。

配偶者の嗜好を制御する遺伝的ストリングが、翼パターンやその他の視覚的合図を作成する遺伝子であるoptixに非常に近いという事実は、交尾選好などの行動の進化を研究する研究者にとって刺激的な意味を持っています。

「[この研究]は、好みと好みのキューが物理的にどのようにリンクされているかについて多くの洞察を提供します」と、この研究に関与しなかったシカゴ大学の進化生物学者スーザン・フィンバイナーは言います。 この研究は、「前景色のパターンとその前景色の好みが互いに関連している」という考えを支持しています。

交配行動と優先形質が実際に単一の染色体に物理的に絡み合っている場合、それらは両方とも次の世代に容易に引き継がれ、2種間の遺伝的障壁を維持します。 「海や山などの物理的な障壁を引き起こすことなく、新しい種を進化させることができます」とメリルは言います。

2番目の研究では、ハイブリッドの生存はまれですが、過去数百万年にわたって十分に発生しているため、これら2匹の蝶は人間とネアンデルタール人の10倍の遺伝物質を共有していることが示されました いくつかの交配イベントでさえ、遺伝学に強い影響を与える可能性があるようです。

ケンブリッジ大学の進化生物学者サイモン・マーティンが率いる研究では、 ヘリコニウスの9つの集団の全ゲノムシーケンスを使用して、蝶のDNAの領域を特定し、ハイブリダイゼーションと自然選択が生物の遺伝に長期的に影響を与えました。 ゲノムが非常に類似しているにもかかわらず、種が非常に視覚的に区別されたままであるという事実は、生命の樹を形作る上でどれだけ強力な進化の力があるかを再確認します。

「進化の道は1つだけではありません」とMartinは言います。 「それはネットワークまたはウェブです。 しかし、私の研究はそれが予測可能であることを示しています。 この複雑な生命の網には、美しい予測可能なパターンがあります。」

最終的に、 PLOS Biologyでも公開されているMartinの結果はMerrillの発見も強化し、自然選択によって生じたDNA内の強い遺伝的障壁（ optixと生殖選好の関係などの障壁）によって2つの種が分離したままであることを示しています。 翼の色と配偶者の好みの間のこの結合は、2つの遺伝的特性が非常に密接にリンクされているため、おそらく同じ遺伝子によって駆動されるため、ハイブリッド蝶でも失われることはありません。 このような遺伝的障壁は、歴史的な交配イベントの証拠にもかかわらず、種分化を予測可能にします。

「自然selectionのために予測可能性があります」とマーティンは言います。 「それは種の創造だけでなく、どの遺伝子が受け継がれ、どの遺伝子が進化における自然selectionの役割を高めないかを決定することにもあります。」

次のステップとして、メリルはこの翼色の好みの行動の根底にある正確な遺伝子を見つけることを望んでいます。 彼は、チームが次回より多くのデータを収集できるように、おそらく機械学習とビデオカメラを使用して検討しています。

「このプロセスを自動化する方法を開発しようとしています」とメリルは言います。 標的とする特定の遺伝子が得られたら、チームはCRISPRを使用してノックアウト研究を行い、行動を制御すると考えられる遺伝子なしで蝶がどのように動作するかを観察できます。

ヘリコニウスの蝶の羽の色の好みを制御する遺伝子がなければ、2つの別々の種は互いに交尾する傾向が強いかもしれません。 ただし、確実に見つけるために、メリルはスミソニアン熱帯研究所の蝶のcageに戻り、座って種間昆虫の行動をキャッチできるかどうかを確認する必要があります。 しかし、彼は気にしません。

「この研究を行うことができた世界には他にどこもありません」と彼は言います。