Сравнение более 200 высококачественных геномов бабочек и мотыльков позволяет получить ключевую информацию об их биологии и эволюции за последние 250 миллионов лет, а также дает подсказки по их сохранению.
Самый обширный анализ такого рода показывает, что хромосомы бабочки и мотылька остались практически неизменными со времени их последнего общего предка более 250 миллионов лет назад. Эта стабильность существует, несмотря на невероятное разнообразие, наблюдаемое сегодня в рисунках крыльев, размерах и формах гусениц более чем 160 000 видов во всем мире.
Исследователи из Института Уэллкома Сэнгера и их коллеги из Эдинбургского университета проанализировали и сравнили более 200 высококачественных геномов хромосомного уровня бабочек и мотыльков, чтобы лучше понять их эволюционную историю.
Далее они обнаружили редкие группы видов, которые нарушили эти генетические нормы и претерпели генетические перестройки, включая слияние хромосом – когда две хромосомы сливаются – и деление – когда хромосома расщепляется.
Результаты, опубликованные в журнале Nature Ecology and Evolution, проливают свет на жесткие ограничения, управляющие эволюцией генома этих экологически важных насекомых. Они также предлагают понимание факторов, которые позволили избранным видам бросить вызов этим правилам эволюции. Эти идеи могут информировать и активизировать усилия по сохранению путем направления целевых стратегий, мониторинга состояния экосистем, адаптации к изменению климата и включения генетической информации в более широкие природоохранные инициативы.
Эта работа является частью Дарвиновского проекта «Древо жизни», целью которого является секвенирование всех 70 000 видов в Великобритании и Ирландии, а также способствует более крупному проекту «Биогеном Земли» по секвенированию всех 1,6 миллионов названных видов на Земле.
Исследование поднимает более широкие вопросы о том, как хромосомные изменения формируют биоразнообразие с течением времени. Исследователи продолжат целенаправленные усилия по секвенированию всех 11 000 видов европейских бабочек и мотыльков в рамках недавно запущенного проекта «Психея».
Бабочки и мотыльки, называемые чешуекрылыми, составляют 10 процентов всех описанных видов животных и являются чрезвычайно важными опылителями и травоядными животными во многих экосистемах.
В этом новом исследовании исследователи из Института Уэллкома Сэнгера и их коллеги решили понять процессы, которые управляют эволюцией хромосом этой весьма разнообразной группы.
Они идентифицировали 32 строительных блока предковых хромосом, названных «мерианскими элементами» в честь пионера-энтомолога 17-го века Марии Сибиллы Мериан, которые остались нетронутыми у большинства видов бабочек и мотыльков со времени их последнего общего предка более 250 миллионов лет назад.
За исключением одного древнего события слияния двух хромосом, которое привело к образованию 31 хромосомы, наблюдаемой сегодня у большинства видов, хромосомы большинства современных видов напрямую соответствуют этим предковым мерианским элементам. Команда обнаружила, что не только хромосомы невероятно стабильны, но и порядок генов внутри них тоже.
Команда обнаружила некоторые виды с незначительными изменениями, в основном связанными с слиянием небольших аутосом 6 и половой хромосомы. Это подчеркивает роль длины хромосомы как движущей силы эволюционных изменений.
Тем не менее, исследователи обнаружили редкую подгруппу видов, таких как голубые бабочки – Lysandra – и группа бабочек-капустниц – Pieris – которые бросили вызов этим ограничениям структуры генома. Эти группы подверглись обширной перестановке хромосом, включая поломку хромосом, а также крупномасштабным перестановкам посредством деления и слияния.
Работа расширяет понимание факторов, которые приводят к генетическому разнообразию этих насекомых. Это может направить усилия по защите и сохранению конкретных видов, сталкивающихся с уникальными проблемами и изменениями окружающей среды, связанными с изменением климата.
Шарлотта Райт, первый автор исследования в Институте Уэллкома Сэнгера, сказала: «Хромосомы большинства современных бабочек и мотыльков можно проследить непосредственно до 32 предковых мерианских элементов, которые присутствовали 250 миллионов лет назад. Поразительно, что, несмотря на обширную диверсификацию видов, их хромосомы остались удивительно нетронутыми. Это бросает вызов идее о том, что стабильные хромосомы могут ограничивать разнообразие видов. Действительно, эта особенность может стать основой для создания разнообразия. Мы надеемся найти подсказки в редких группах, которые уклонились от этих правил».
«Подобные исследования, которые позволяют нам углубиться в эти эволюционные процессы, возможны только с помощью таких инициатив, как Дарвиновское дерево Проект Life, создающий высококачественные общедоступные сборки генома. Мы расширяем эти усилия в рамках проекта «Психея», стремясь секвенировать все 11 000 видов бабочек и мотыльков в Европе совместно с сотрудниками по всему континенту. Более глубокое понимание биологии бабочек и мотыльков в рамках проекта «Психея», поскольку они являются жизненно важными опылителями, травоядными животными и источниками пищи в различных экосистемах, а также мощными индикаторами здоровья экосистем, послужит основой для будущих исследований по адаптации и видообразованию для сохранения биоразнообразия», - резюмировал старший автор исследования профессор Марк Блакстер
