L'espressione genetica giorno-notte in falene sevatiche rivela il gene “disco” circadiano come candidato per la loro evoluzione di nicchia diurna
La suddivisione temporale delle nicchie ecologiche è un fattore sottovalutato della speciazione. Sebbene gli insetti siano stati a lungo modelli per la biologia circadiana, i geni e i circuiti che consentono i cambiamenti adattativi nelle nicchie rimangono poco compresi. Come fa una specie a diventare due? Se sei un biologo, questa è una domanda capziosa. Il consenso è che, nella maggior parte dei casi, il processo di speciazione avviene quando gli individui di una singola popolazione diventano geograficamente isolati. Se rimangono separati abbastanza a lungo, perdono la capacità di incrociarsi.
Un nuovo studio pubblicato sulla rivista Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences (1) dimostra cosa accade quando si verifica una forma meno comune di speciazione. Invece di essere separati da una barriera fisica, come una catena montuosa o un oceano, i membri di una specie possono separarsi nel tempo.
I ricercatori si sono concentrati su due specie di falene strettamente correlate, con areali sovrapposti nel sud-est degli Stati Uniti.
«Questi due sono molto simili», ha detto l'autore principale, il dottor Yash Sondhi (2), che ha condotto la ricerca per lo studio mentre lavorava alla Florida International University e in seguito al Florida Museum of Natural History. «Si sono differenziati lungo questo asse, che è quando volano».
Le falene rosate dell'acero, del genere Dryocampa hanno una folta criniera di leone sopra la testa e l'addome e le loro squame vibranti sono del colore della caramella alla fragola e alla banana. Sia le falene rosate maschili che quelle femminili volano esclusivamente di notte.
Le falene del verme della quercia a strisce rosa, del genere Anisota, sono meno appariscenti, con sottili sfumature di ocra, terra d'ombra e marna. Mentre le femmine di questa specie sono attive al tramonto e nelle prime ore della sera, i maschi preferiscono volare durante il giorno.
Il dottor Sondhi sapeva da ricerche precedenti che questi due gruppi, Dryocampa e Anisota, avevano avuto origine da una singola specie circa 3,8 milioni di anni fa, il che è relativamente recente su scale temporali evolutive. Ci sono una manciata di specie nel genere Anisota, tutte attive durante il giorno. Le notturne falene rosate dell'acero sono le uniche specie nel genere Dryocampa.
Il dottor Sondhi è specializzato nella biologia della vista degli insetti e ha ritenuto che la coppia di falene rappresentasse l'opportunità perfetta per esplorare il modo in cui la vista si evolve quando una specie modifica il suo schema di attività.
Ma le cose non andarono come previsto.
«Sono andato alla ricerca di differenze nella visione dei colori. Invece, abbiamo trovato differenze nei loro geni dell'orologio, il che, a posteriori, ha senso», ha detto Sondhi.
I geni dell'orologio controllano il ritmo circadiano di piante e animali. Il flusso e riflusso delle proteine che creano fa sì che le cellule diventino attive o dormienti in un periodo di circa 24 ore. Influenzano tutto, dal metabolismo e dalla crescita cellulare alla pressione sanguigna e alla temperatura corporea.
Per qualsiasi organismo che inverte il suo schema di attività, è praticamente garantito che siano coinvolti i geni dell'orologio. «È un sistema che è stato mantenuto in tutto, dai moscerini della frutta ai mammiferi e alle piante. Hanno tutti una specie di meccanismo di cronometraggio», ha detto.
Sondhi ha confrontato i trascrittomi delle due falene. A differenza dei genomi, che contengono l'intero DNA di un organismo, i trascrittomi contengono solo il sottoinsieme di materiale genetico che viene utilizzato attivamente per produrre proteine. Ciò li rende utili per esplorare le differenze nei livelli di proteine durante il giorno. Come previsto, egli ha trovato un certo numero di geni che erano espressi in quantità diverse nelle due specie di falene. Le falene notturne dell'acero rosato hanno investito più energia nel loro senso dell'olfatto, mentre la falena diurna del verme della quercia ha prodotto più geni associati alla vista.
Non c'erano, tuttavia, differenze nei geni che conferiscono la capacità di vedere i colori. Ciò non significa necessariamente che la loro visione dei colori sia identica, ma se ci sono differenze, sono probabilmente a livello di messa a punto e sensibilità e non nella struttura dei geni stessi. C'era un gene aggiuntivo che spiccava: Disconnected, o disco, era espresso a livelli diversi durante il giorno e la notte in entrambe le specie. Nei moscerini della frutta, disco è noto per influenzare indirettamente i ritmi circadiani attraverso la produzione di neuroni che trasmettono enzimi dell'orologio dal cervello al corpo.
Il gene disco che il dottor Sondhi ha trovato nei suoi campioni di falene era grande il doppio della sua controparte di moscerini della frutta e conteneva tracce di zinco aggiuntive, porzioni attive di un gene che interagisce direttamente con DNA, RNA e proteine. Sembrava probabile che i cambiamenti nel gene disco fossero almeno in parte responsabili del passaggio al volo notturno nelle falene dell'acero rosato.
Quando ha confrontato il gene disco delle falene dell'acero rosato con quello dei vermi della quercia, ha trovato 23 mutazioni che rendevano ciascuna distinta dall'altra. Le mutazioni erano anche localizzate in porzioni attive del gene, il che significa che probabilmente contribuiscono a differenze fisiche osservabili tra le falene. Sondhi stava osservando l'evoluzione in azione.
«Se questo verrà confermato funzionalmente, si tratterà di un esempio concreto del meccanismo alla base della loro speciazione a livello molecolare, cosa rara da trovare», ha affermato.
Lo studio è anche un'importante spinta per una migliore comprensione dei vari modi in cui la vita si sostiene e si propaga. Quando la genetica è diventata per la prima volta un campo di studio, i ricercatori hanno concentrato la maggior parte dei loro sforzi su poche specie rappresentative, come i moscerini della frutta o i topi da laboratorio. Ciò è stato fatto principalmente per motivi di convenienza, ma limita quanto sappiamo sui modelli biologici generali. Proprio come un essere umano non è un topo da laboratorio, una falena non è un moscerino della frutta.
«Dato che le specie continuano a declinare a causa del cambiamento climatico e di altri cambiamenti antropogenici, dovremo progettare geneticamente un numero maggiore di quelle che rimangono per consentire la tolleranza alla siccità, ad esempio, o per essere attive in regimi di inquinamento luminoso. Per farlo in modo coerente, è fondamentale avere un pool più ampio di geni funzionalmente caratterizzati in tutti gli organismi. Non possiamo semplicemente usare Drosophila», conclude Sondhi.
Il Florida Museum of Natural History ispira le persone a valorizzare e proteggere la ricchezza biologica e il patrimonio culturale del nostro mondo diversificato da oltre un secolo. Situato nel campus dell'Università della Florida, il Florida Museum ospita oltre 40 milioni di reperti e manufatti, una delle più grandi collezioni di storia naturale della nazione.
Riferimenti:
(2) Yash Sondhi
Descrizione foto: Il dottor Yash Sondhi è andato alla ricerca delle differenze nella visione dei colori tra due falene strettamente imparentate, una delle quali è attiva di notte e l'altra durante il giorno. Invece, ha trovato differenze nel modo in cui tenevano il tempo. - Credit: Jeremy Squire.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Moths may use disco gene to regulate day/night cycles