迄今为止为时已晚:交配时间的差异如何导致物种分离

Sabine Hänniger和Astrid Groot讨论了他们的新研究,最近发表于BMC进化生物学这项研究发现,一个单一的基因可能是交配行为改变的基础,这种改变可能导致两种粘虫分化成两个不同的物种。

臭名昭著的秋季粘虫——你可能听说过。它是一种夜间活动的蛾类,最近作为一种入侵物种在非洲出现在新闻中,对玉米和其他作物造成严重损害,威胁到农民的生计还有梅剥夺南部非洲的主要粮食来源. 秋季粘虫(甜菜夜蛾)原产于美洲,例如巴西每年超过6亿美元控制害虫。

虽然我们需要弄清楚如何控制非洲的农作物害虫,但我们已经可以从这种蛾子身上学到一些重要的东西。生物学的中心问题之一是:所有的生物多样性来自哪里?

秋季粘虫可以帮助我们回答这个问题,因为这个物种是以两种不同的品系出现的,称为玉米品系和水稻品系。这些菌株看起来一模一样,但在某些特征上有所不同,比如信息素作文寄主植物偏好,但最重要的是在交配的时间上当前位置玉米品种在深夜交配,而水稻品种在深夜交配。我们是如何发现这些差异的?

我们在一个黑暗的房间里观察了数百对情侣,他们被红光和红色手电筒照亮,因为飞蛾看不见红光。灯光熄灭,夜幕降临后,玉米蛾开始活跃起来,很快就开始交配。与此同时,稻飞蛾一动不动地坐着。仅仅几个小时后,水稻毒蛾就醒了,开始了交配活动。

雌性成虫挤出她的信息素腺,表明她可以交配
雌性成虫挤出她的信息素腺,表明她可以交配
萨宾·海尼格尔

当同一物种的两个种群(或品系)彼此不交配时,这些种群之间就不会交换基因。因此,自发发生的突变不会被交换并停留在群体中,因此不同的突变可以在每个群体中累积。这样,随着时间的推移,两个种群的遗传差异将越来越大,这可能导致发展成两个物种。

通过观察暗室中早晚交配的菌株,我们想知道这两个菌株之间积累了哪些遗传差异,可以解释它们在夜间交配时间上的差异。因此,我们将两个品系进行杂交,并用红色手电筒通宵观察亲本品系与杂种及其后代的交配活动。

数百个烧杯用于观察
数百个烧杯用于观察
萨宾·海尼格尔

然后,我们对所有这些个体进行了基因分析,通过结合观察结果和基因数据,我们可以识别出一条染色体,解释了菌株之间的大部分时间差异。当我们还发现这条染色体含有一个属于生物钟的基因时,我们很兴奋:维利亚!

因此,玉米品系和水稻品系的昼夜节律似乎不同步,我们发现维利亚当比较菌株之间该基因的DNA序列时,我们发现启动子区域存在一些有趣的差异。

生物钟是地球上大多数生物的内部分子钟。依赖于光输入,基因和蛋白质以大约24小时的昼夜节律相互作用。例如,这种节律有助于老鼠在夜间醒来,当捕食者不容易看到它们时,它们会变得活跃起来,并有助于粘虫在合适的时间醒来,找到交配伙伴。

成虫交配。
成虫交配。
萨宾·海尼格尔

我们还观察了24小时内每小时mRNA水平的差异,发现维利亚在水稻品系中的表达总是比在玉米品系中的表达更多。这让我们对这种差异如何影响生物钟的其他基因感到好奇。令人兴奋的是,我们确实发现在生物钟中直接与vrille相互作用的基因的表达水平存在一些差异。

简言之,我们可能已经确定了两个菌株之间进化的机制,这两个菌株似乎成为了两个不同的物种。基因启动子区域的变化维利亚可能导致基因转录的改变,从而影响生物钟。生物钟的改变改变了粘虫的行为,导致不同种类的粘虫在夜间不同的时间点交配。这种时间上的差异构成了一种交配障碍,使菌株保持分离,并可能促进发育成不同的物种。

因此,除了作为一种需要根除的严重害虫外,秋季粘虫还为我们提供了物种形成进化过程的见解,这导致了地球上巨大的生物多样性。

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