Шлем горбаток развивается под контролем генов, ответственных за развитие крыльев

Рис. 1. Морфологическое разнообразие горбаток определяется в основном строением их «шлемов» — причудливых выростов переднегруди. Рисунок из статьи B. Prud’homme et al., 2011. Body plan innovation in treehoppers through the evolution of an extra wing-like appendage

Главной отличительной особенностью горбаток (семейство Membracidae) являются «шлемы» — разнообразные и порой весьма причудливые выросты переднегруди. Происхождение шлемов спорно: одни исследователи считают их гомологами крыльев, другие — уникальными образованиями, не имеющими прямого отношения ни к крыльям, ни к ногам. Новые данные по экспрессии генов в различных частях тела горбаток и их родственников — цикадок свидетельствуют в пользу «крыловой» теории происхождения шлемов. Результаты в очередной раз подтверждают, что эволюционные новшества, как правило, возникают не с нуля, а путем модификации существовавших ранее структур и привлечения («коопции») имеющихся регуляторных генных сетей для выполнения новых функций.

В недавней новости Развитие рогов и крыльев у жуков-навозников контролируется одними и теми же генами («Элементы», 26.11.2019) описаны эксперименты, показавшие, что причудливые рога на переднем сегменте груди у жуков-навозников развиваются из парных зачатков, гомологичных зачаткам крыльев, причем ранние этапы формирования рогов контролируются теми же генами, что и закладка крыльев. Это позволило предложить логичное объяснение удивительному разнообразию строения переднегруди у насекомых (см. рис. 4 в упомянутой новости). Поскольку переднегрудь не несет крыльев, но содержит сериальные гомологи крыловых зачатков, из этих «невостребованных» зачатков в ходе эволюции легко развиваются новые морфологические структуры.

Новая статья биологов из Коннектикутского университета (США), опубликованная в журнале Nature Ecology & Evolution, подтверждает это предположение на примере горбаток (семейство Membracidae, см. Treehoppers). Горбатки — родственные цикадам насекомые, самой яркой отличительной особенностью которых является наличие так называемого «шлема». Шлемы горбаток представляют собой разнообразные и порой крайне причудливые выросты переднегруди (рис. 1). Предполагаемые функции шлемов включают защиту от паразитов-наездников, маскировку и отпугивание хищников (например, у некоторых горбаток шлем напоминает муравья или осу).

Рис. 2. Горбатка Publilia modesta с отделенным шлемом. Видно, что шлем внешне похож на два сросшихся крыла. Розовым цветом выделена переднегрудь, однако, как выяснилось впоследствии, авторы данного исследования не совсем точно определили ее границы. Изображение из статьи B. Prud’homme et al., 2011. Body plan innovation in treehoppers through the evolution of an extra wing-like appendage

Происхождение шлемов горбаток остается предметом споров. В 2011 году была выдвинута красивая гипотеза, согласно которой шлем на переднегруди является сериальным гомологом крыльев (напомним, что крылья у насекомых располагаются на средне- и заднегруди). В пользу этого свидетельствует экспрессия в развивающемся шлеме специфического «крылового» регуляторного гена nubbin, а также генов Distal-less и homothorax, участвующих в развитии ног и крыльев. Однако главные аргументы были морфологическими. Помимо внешнего сходства шлема некоторых горбаток с крыльями (рис. 2) и развития шлема из парных зачатков, в сочленении шлема с переднегрудью было замечено сходство с теми сочленениями, посредством которых крылья подвижно крепятся к покровам среднего и заднего сегментов груди (B. Prud’homme et al., 2011. Body plan innovation in treehoppers through the evolution of an extra wing-like appendage). К сожалению, авторы этого исследования запутались в замысловатой морфологии груди горбаток, неправильно идентифицировали границы сегментов и в итоге приняли гибкое сочленение между передне- и среднегрудью за сочленение между шлемом и переднеспинкой (тергитом переднегруди).

Энтомологи тотчас это заметили и опубликовали опровержения (K. Yoshizawa, 2011. The treehopper's helmet is not homologous with wings (Hemiptera: Membracidae); I. Mikó et al., 2012. On Dorsal Prothoracic Appendages in Treehoppers (Hemiptera: Membracidae) and the Nature of Morphological Evidence). В результате красивая гипотеза рассыпалась. Возобладала точка зрения, согласно которой шлем — это не придаток, сериально гомологичный крыльям, а совсем другая, новая структура — специфическое разрастание переднеспинки, для формирования которого, возможно, были «кооптированы» отдельные гены, участвующие в развитии крыльев и ног. Это обычное дело в эволюции: например, известно, что ген Distal-less неоднократно кооптировался для обслуживания не только всевозможных выростов, но даже глазков на крыльях бабочек (S. B. Carroll et al., 1994. Pattern formation and eyespot determination in butterfly wings).

В новой статье данные по экспрессии нескольких тысяч генов были использованы для сравнительной оценки трёх гипотез о происхождении шлема:
    1) «Новообразование»: шлем возник как специфическое разрастание переднеспинки — тергита переднегруди. Возможно, при этом имела место коопция отдельных регуляторов роста крыльев или ног, но в основном шлем сформировался за счет перенастройки регуляторных генных сетей, контролирующих рост тергита.
    2) Шлем возник благодаря коопции генных сетей, ответственных за формирование ног. Эта идея ранее высказывалась и в отношении рогов жуков-навозников (A. P. Moczek, D. J. Rose, 2009. Differential recruitment of limb patterning genes during development and diversification of beetle horns).
    3) Шлем возник путем коопции генных сетей, ответственных за формирование крыльев.

Ученые сравнили экспрессию генов в разных частях тела у двух видов насекомых: горбатки Entylia carinata (рис. 3, b, c) и представителя родственного семейства цикадок (Cicadellidae, см. Leafhoppers) Homalodisca vitripennis (рис. 3, e, f). В отличие от горбаток, у цикадок переднегрудь имеет обычное строение и не несет причудливых выростов.

Рис. 3. Горбатки Cladonota apicalis (а, длина тела 6–9 мм), Entylia carinata (b — взрослое насекомое, длина тела 4–5 мм, c — нимфа, длина масштабного отрезка — 1 мм), Heteronotus sp. (d, у этого вида шлем изображает осу, длина тела 5–10 мм) и цикадка Homalodisca vitripennis (e — взрослое насекомое, длина тела 10–14 мм, f — нимфа). Белым пунктиром обведена переднеспинка (Pn, pronotum), желтым — среднеспинка (Mn, mesonotum; у горбаток среднеспинка закрыта шлемом). Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Ecology & Evolution

Профили экспрессии оценивались при помощи секвенирования РНК (см. RNA-Seq) на последней личиночной стадии (то есть перед превращением во взрослое насекомое, когда идет активное развитие крыльев и шлема). По отдельности анализировались восемь частей тела: переднеспинка, среднеспинка, средняя нога, глаз, переднее крыло, заднее крыло, тергиты брюшка, яйцеклад. Для каждой комбинации «вид насекомого / часть тела» анализировали по три пробы (повторности). Из 48 полученных проб 45 прошли все проверки на качество и были использованы для дальнейшего анализа. В общей сложности у горбатки удалось выявить 3353, а у цикадки — 4428 генов с уровнями экспрессии, достоверно различающимися в разных частях тела. По профилям экспрессии этих генов проводилось сравнение частей тела между собой: строились дендрограммы, отражающие уровень сходства между частями тела по экспрессии всех дифференциально экспрессирующихся генов. Результаты показаны на рис. 4.

Рис. 4. Общая идея и основные результаты исследования. Сравнивали экспрессию генов у цикадки и горбатки в восьми частях тела: Eye — глаз, Pn — переднеспинка, Mn — среднеспинка, Leg — нога (среднегрудная), W2 — среднегрудное (то есть переднее) крыло, W3 — заднегрудное (заднее) крыло, Abd — тергиты брюшка, Ovi — яйцеклад (считается сериальным гомологом ног). Три гипотезы происхождения шлема дают разные предсказания относительно того, с какими частями тела должен быть сходен шлем (переднеспинка) горбатки по профилю генной экспрессии. Проведенный анализ показал, что переднеспинка цикадки, у которой нет шлема, группируется со своим сериальным гомологом — среднеспинкой (как и ожидалось). Скорее всего, так же обстояло дело и у предков горбаток до того, как они приобрели шлем. Однако переднеспинка горбатки группируется не со среднеспинкой, а с крыльями. Это соответствует гипотезе о происхождении шлема путем коопции «крыловых» генов. На двух нижних деревьях число концевых веточек больше восьми, потому что для каждой комбинации «насекомое / часть тела» анализировалось по 2–3 пробы (повторности). Рисунки из обсуждаемой статьи в Nature Ecology & Evolution

У цикадки переднеспинка по профилю генной экспрессии оказалась больше всего похожа на свой сериальный гомолог — среднеспинку. Это, по-видимому, исходное, предковое состояние. Вполне логично и ожидаемо, что оно наблюдается у вида, не имеющего на переднеспинке ни шлема, ни каких-то других необычных структур. Однако у горбатки, чья переднеспинка уже на стадии поздней нимфы состоит в основном из причудливо разрастающегося шлема (рис. 3, c), эта переднеспинка по набору работающих генов оказалась больше похожа на крылья, чем на среднеспинку. Тот же самый результат получился и при использовании других методов обработки данных по экспрессии (таких как метод главных компонент).

Таким образом, результаты согласуются с гипотезой №3, согласно которой шлем развился благодаря коопции генных сетей, ответственных за формирование крыльев. Причем речь здесь идет не о единичных генах вроде nubbin, а об общем профиле генной экспрессии, то есть о всей совокупности генов, активность которых неодинакова в разных частях тела. Кстати, повышенная экспрессия именно генов nubbin и Distal-less в переднеспинке у горбатки почему-то на этот раз не была выявлена.

«Крыловая» гипотеза происхождения шлема также предсказывает, что если сравнить между собой профили генной экспрессии сразу у обоих изученных видов, то все гомологичные части тела должны сгруппироваться друг с другом (глаз горбатки — с глазом цикадки, брюшко горбатки — с брюшком цикадки и т. д.), и только переднеспинка горбатки должна нарушить эту закономерность, сгруппировавшись не с переднеспинкой цикадки, а с крыльями. Это было проверено и подтвердилось: переднеспинка цикадки сгруппировалась со своими сериальными гомологами — среднеспинками обоих видов, но переднеспинка горбатки сгруппировалась с крыльями (тоже обоих видов).

Затем авторы проанализировали по отдельности экспрессию генов из разных функциональных категорий. Оказалось, что если рассматривать только гены, кодирующие факторы транскрипции, то переднеспинка горбатки все-таки группируется со среднеспинкой, а не с крыльями. По-видимому, это значит, что ключевые изменения генной регуляции, которые привели к транскрипционному сходству переднеспинки горбатки с крыльями, произошли в основном на более низких уровнях регуляции. Иными словами, в переднеспинке горбатки изменился на «крыловой» лад не столько набор работающих транскрипционных факторов, сколько то, как другие («подчиненные») гены реагируют на команды, подаваемые этими регуляторами верхнего уровня.

Впрочем, этот вывод по транскрипционным факторам отражает лишь «общую температуру по больнице», поскольку многие гены (и в том числе регуляторы транскрипции), о которых известно, что они играют ключевую роль в развитии крыльев у насекомых (apterous-A, four-jointed, frizzled, serum response factor, miniature, rotund, grainy head и другие) демонстрируют у горбатки повышенный уровень экспрессии и в крыльях, и в переднеспинке, а у цикадки — только в крыльях.

Дендрограммы сходства профилей экспрессии, показанные на рис. 4 (нижний ряд), отличаются от ожиданий, основанных на представлениях о сериальной гомологии (рис. 4, средний ряд, слева), не только положением переднеспинки горбатки, но и кое-чем еще. Например, тергиты брюшка (Abd) ни у горбатки, ни у цикадки не сгруппировались с тергитами груди (переднеспинкой, среднеспинкой, Pn, Mn), а заняли обособленное положение. Чтобы понять, с чем это связано, авторы посмотрели, какие функциональные группы преобладают среди генов, экспрессия которых повышена в брюшке. Оказалось, что среди них высока доля генов, связанных с работой иммунной системы, реакциями на стимулы и межвидовыми взаимодействиями. Это позволило авторам предположить, что своеобразие экспрессионного профиля брюшка связано с симбиотическими бактериями, которые в основном проживают у цикадок и горбаток именно в брюшке и без которых эти насекомые, питающиеся растительными соками, не смогли бы существовать.

Обсуждаемая работа была написана и принята к печати еще до публикации статьи по жукам-навозникам, о которой рассказано в новости Развитие рогов и крыльев у жуков-навозников контролируется одними и теми же генами («Элементы», 26.11.2019), и не содержит ссылок на эту статью. Но результаты обоих исследований отлично согласуются друг с другом. Обе работы показывают, что появление причудливых новообразований на переднегруди связано с коопцией генных сетей, ответственных за развитие крыльев. Это позволяет говорить о так называемой глубокой гомологии между этими новообразованиями и крыльями (под «глубокой гомологией» понимается единое происхождение регуляторных генных сетей, управляющих развитием сравниваемых органов).

На жуках были также проведены генно-инженерные эксперименты, в ходе которых ученые добивались (путем отключения Hox-гена scr) развития маленьких уродливых крылышек на переднегруди. При этом чем крупнее получались крылышки, тем меньше становился переднегрудной рог. Это говорит о том, что рог развивается примерно из тех же личиночных тканей, которые в других обстоятельствах могли бы дать начало крыльям. Это было интерпретировано как аргумент в пользу того, что в переднегруди имеются сериальные гомологи крыловых зачатков, а переднегрудной рог, соответственно, является частичным сериальным (а не только «глубоким») гомологом крыльев.

На горбатках такие эксперименты пока не проведены. Однако шлем горбаток, как и рог жуков-навозников, развивается из парных зачатков, похожих по своему расположению на зачатки крыльев. Так что с большой вероятностью какие-то элементы сериальной гомологии здесь тоже присутствуют. Иными словами, вполне возможно, что шлем горбаток тоже в какой-то степени является «видоизмененными крыльями», как и переднегрудной рог жуков-навозников.

Источник: C. R. Fisher, J. L. Wegrzyn, E. L. Jockusch. Co-option of wing-patterning genes underlies the evolution of the treehopper helmet // Nature Ecology & Evolution. 2019. DOI: 10.1038/s41559-019-1054-4.

См также:
Развитие рогов и крыльев у жуков-навозников контролируется одними и теми же генами, «Элементы», 26.11.2019.

Александр Марков