Diversas variações diferentes de borboletas rabo de andorinha mostrando mimetismo e polimorfismo, ou diferentes formas da mesma espécie. No centro, uma fêmea Papilio polytes que não imita outra espécie. Crédito:Matt Wood, UChicago
Borboletas fêmeas com cauda de andorinha fazem algo que muitas borboletas fazem para sobreviver:imitam padrões de asas, formas e cores de outras espécies que são tóxicas para predadores. Algumas - mas não todas - espécies de rabo de andorinha desenvolveram várias formas diferentes desse traço. Mas que tipo de mudanças genéticas levou a esses vários disfarces, e por que algumas espécies manteriam uma forma não disfarçada quando o mimetismo fornece uma vantagem evolutiva óbvia?
Em um novo estudo publicado esta semana em Nature Communications , cientistas da Universidade de Chicago analisam dados genéticos de um grupo de espécies de rabos de andorinha para descobrir quando e como o mimetismo evoluiu pela primeira vez, e o que tem motivado essas mudanças desde então. É uma história que começou há cerca de dois milhões de anos, mas em vez de constante, mudanças progressivas, uma mudança genética casual ajudou a criar os primeiros imitadores de rabo de andorinha. E tem permanecido desde então.
"Em borboletas com um padrão de cor, temos um gene em uma orientação normal no cromossomo. Nas borboletas com o incomum, padrão de cor alternativo, aquele gene foi cortado, invertido, e então unidos de volta ao cromossomo em algum ponto, "disse Marcus Kronforst, PhD, professor associado de ecologia e evolução na UChicago e autor sênior do estudo.
"Esse flip, ou inversão, impede que os dois genes se recombinem se esses dois tipos diferentes de borboletas se acasalarem, então eles mantiveram as duas cópias do gene ao longo do tempo evolutivo, desde que eles se separaram de seu ancestral comum há dois milhões de anos, "Kronforst disse.
Por muito tempo, os cientistas pensaram que o mimetismo da borboleta era controlado por "supergenes, "grupos de vários genes fortemente ligados que sempre foram herdados como um grupo. Em um estudo de 2014, Kronforst e seus colegas mostraram que o que parece ser um supergene é na verdade um único gene chamado doublesex que controla os diferentes padrões de cores e formas que vemos nas fêmeas de rabo de andorinha.
O gene doublesex já era conhecido por seu papel na diferenciação entre os sexos, mas nas mulheres o invertido, ou invertido, versão também dita os padrões das asas. Ele ainda pode ser considerado um supergene, porque controla o todo, processo complexo de padronização de asas, mas neste caso, é apenas um único gene.
Diversas variações diferentes de borboletas rabo de andorinha mostrando mimetismo e polimorfismo, ou diferentes formas da mesma espécie. Linha 1:uma mulher e um homem Papilio protenor , a espécie que está intimamente relacionada com Papilo polytes , o foco do novo estudo. No P. protenor , machos e fêmeas têm a mesma aparência e não imitam. Linha 2: Papilio ambrax , uma espécie em que machos e fêmeas parecem diferentes e a fêmea é uma mímica. Nesta espécie, não há polimorfismo feminino. O novo estudo mostra que seu ancestral evolucionário era polimórfico, mas as mulheres perderam esse trem e só exibem a forma mimética. Linha 3: Papílio Polimórfico polytes, (L-R) Uma forma feminina mimética (uma das 3 formas miméticas nesta espécie), uma mulher não mimética, e o homem. Linha 4:um rabo de andorinha relacionado de forma distante, Pachliopta aristolochiae . Esta é a espécie tóxica que as espécies no novo estudo imitam. Crédito:Matt Wood, UChicago
No novo estudo, liderado pelo pós-doutorado Wei Zhang, PhD, a equipe analisou os dados da sequência do genoma completo de Papilio polytes, a borboleta asiática rabo de andorinha, e várias espécies semelhantes para ver como eles estão relacionados entre si, e como suas cópias de doublesex se comparam. Usando esses dados, a equipe comparou algumas explicações alternativas para as origens do mimetismo e identificou fatores-chave que mantiveram diferentes formas de mimetismo a longo prazo.
As espécies mais estreitamente relacionadas ao grupo P. polytes, chamado Papilio protenor, está espalhada pela Ásia continental, da Índia ao Japão, e não desenvolveu mimetismo - homens e mulheres são parecidos. Outras espécies que se espalharam do continente para ilhas nas Filipinas e na Indonésia desenvolveram três ou quatro formas distintas, um recurso conhecido como polimorfismo. Ainda outras espécies de rabo de andorinha se espalharam ainda mais por Papua Nova Guiné e na costa nordeste da Austrália, mas essas mulheres exibem apenas um padrão de asa disfarçado.
Os pesquisadores compararam os padrões que viram nos dados da sequência do genoma com algumas explicações possíveis de como esses padrões de mimetismo se desenvolveram ao longo do tempo e da geografia. O mimetismo evoluiu independentemente em diferentes espécies em diferentes pontos no tempo? Ele evoluiu em uma espécie, e então se espalhar por meio de cruzamentos ou hibridização?
Parece que o mimetismo, na verdade, tem uma única origem antiga, quando o gene doublesex mudou há dois milhões de anos. Desde aquela inversão inicial, Zhang e Kronforst viram sinais do que é conhecido como seleção de equilíbrio. Quando um tipo de borboleta se torna mais comum, os predadores percebem que não são tóxicos e começam a se alimentar deles. Isso reduz o número daquela borboleta em particular, até que outro se torne mais comum, e assim por diante. Eventualmente, esse processo equilibra e preserva o número relativo de cada formulário.
Eles também viram que algumas populações de borboletas mantiveram múltiplas formas femininas por milhões de anos, enquanto outros perderam o original, forma indisfarçável. Historicamente, os menores grupos, por exemplo, os que mais se espalharam para a Austrália - perderam o polimorfismo, permitindo deriva genética aleatória e seleção natural para eliminar a forma original.
Os pesquisadores também analisaram o que manteve o polimorfismo ao longo do tempo. Uma das causas pode ser a seleção sexual, que os homens preferem certos padrões de cores femininos a outros. No entanto, pesquisas anteriores sobre o comportamento de acasalamento não confirmam essa ideia. Outra possibilidade é "cripsis, "ou a ideia de que as fêmeas indisfarçáveis se misturam ao ambiente natural melhor do que as mímicas. Kronforst e a equipe testaram essa hipótese comparando fêmeas miméticas e não miméticas contra um fundo de floresta verde usando modelos de visão de predador (isto é, pássaro). mimético, mulheres indisfarçáveis, na verdade, não se misturam ao fundo mais do que imitam, então essa ideia também foi lançada.
Diversas variações diferentes de borboletas rabo de andorinha mostrando mimetismo e polimorfismo, ou diferentes formas da mesma espécie. Linha 1:uma mulher e um homem Papilio protenor , a espécie que está intimamente relacionada com Papilo polytes o foco do novo estudo. No P. proteno , machos e fêmeas têm a mesma aparência e não imitam. Linha 2: Papilio ambrax uma espécie em que machos e fêmeas parecem diferentes e a fêmea é uma mímica. Nesta espécie, não há polimorfismo feminino. O novo estudo mostra que seu ancestral evolucionário era polimórfico, mas as mulheres perderam esse trem e só exibem a forma mimética. Linha 3: Papilio polititos polimórficos , (L-R) Uma forma feminina mimética (uma das 3 formas miméticas nesta espécie), uma mulher não mimética, e o homem. Linha 4:um rabo de andorinha relacionado de forma distante, Pachliopta aristolochiae . Esta é a espécie tóxica que as espécies no novo estudo imitam. Crédito:Matt Wood, UChicago
Essas duas descobertas, combinado com os dados da sequência genômica, levou os pesquisadores a começarem a pensar em outra possibilidade intrigante. Pode ser que as mudanças genéticas que levaram ao mimetismo em primeiro lugar também tenham gerado algumas desvantagens de longo prazo. Quando o gene doublesex original é invertido, provavelmente carregava um monte de outro material genético não relacionado com ele. Uma vez que o gene doublesex invertido não pode ser recombinado com sua versão original, o material extra "pega carona" desde então - e pode ter consequências. Na verdade, algumas pesquisas mostram que as mulheres mímicas não vivem tanto quanto os padrões.
"Achamos que várias diferenças foram acidentalmente capturadas quando uma cópia do gene foi invertida e se tornou a cópia mimética. Como muitas dessas mudanças são funcionais, eles podem ser prejudiciais à saúde, "Kronforst disse.
"A ideia é que você tem essa desvantagem inerente ao mimetismo. As mulheres padrão não têm a proteção do mimetismo, mas eles também não têm esse custo genético inerente e essas duas coisas se compensam ", disse ele.
Agora que eles desvendaram um pouco da história por trás da evolução do mimetismo, Kronforst disse que sua equipe quer começar a procurar mutações genéticas específicas em doublesex que causam diferentes tipos de mimetismo.
"Se pudermos encontrar maneiras de resolver todas as diferenças que vemos, devemos ser capazes de restringi-lo a algo muito mais discreto do que todas as diferenças que vemos agora, " ele disse.
O estudo, "Traçando a origem e evolução do mimetismo supergênico em borboletas, "foi apoiado pelos fundos de pesquisa da Universidade de Chicago Neubauer, uma bolsa Pew Biomedical Scholars, a National Science Foundation e os National Institutes of Health. Outros autores incluem Erica Westerman, da University of Arkansas, junto com Eyal Nitzany e Stephanie Palmer da Universidade de Chicago.
