מחקרים אחרונים על חרקי מקל מוכיחים שגנים הקשורים לתכונות אבודות עשויים להישמר על פני טווחי זמן אבולוציוניים בשל תפקידיהם המרובים בתהליכים ביולוגיים, מה שמאפשר את הופעתן מחדש של תכונות אלו. מחקר זה שופך אור על הגנטיקה המורכבת של שימור תכונות והופעה מחדש, ומצביע על השלכות רחבות יותר על הביולוגיה האבולוציונית.
מחקרים עדכניים מראים כי גנים הקשורים לתכונות אבודות בחרקי מקל עשויים להישמר, ולאפשר את הופעתם מחדש לאורך זמן אבולוציוני.
תכונות יכולות להיעלם באמצעות האבולוציה אם הן הופכות מיותרות או עתירות משאבים מכדי לקיים אותן. נהוג לחשוב שהגנים הקשורים לתכונות אלה גם יתדרדרו עם הזמן, מה שעלול למנוע מהתכונות להופיע מחדש. עם זאת, ישנן דוגמאות רבות בטבע של תכונות שאבדו פעם המופיעות מחדש בשושלות צאצאות.
לדברי ג'וב פורני, עמית מחקר באוניברסיטת בולוניה, "מיפוי נוכחות והעדר תכונות על מִין עץ מרמז שייתכן ותכונות מסוימות אבדו בשושלות שהובילו למינים קיימים ולאחר מכן הושבו לאחר מכן. כנפיים בחרקי מקל נחשבות לאחד המקרים האיקוניים יותר של תהליך אבולוציוני זה".
זה מצביע על כך שהגנים הקשורים לתכונות אלה עשויים להישמר, אולי במשך מיליוני שנים. עם זאת, היה מחקר מוגבל על הבסיס המולקולרי של הופעה מחדש זו, מה שאומר שהמנגנונים האחראים לשימור הגנים הללו נותרו ספקולטיביים במידה רבה עד כה.
תובנות חדשות ממחקרים גנטיים
במחקר חדש שפורסם ב ביולוגיה ואבולוציה של הגנום, פורני ועמיתיו שופכים אור על תכונה מורכבת נוספת שאבדה אצל כמה חרקי מקל – ייצור של זכרים. אובדן היכולת לייצר זכרים מביא לאוכלוסיות של נקבות בלבד, המתרבות על ידי פרתנוגנזה, סוג של רבייה א-מינית. המחקר מגלה כי גנים המחוברים מאוד ברשתות רגולטוריות ומעורבים במספר תהליכים ביולוגיים עשויים להישמר זמן רב לאחר אובדן תכונה, מה שמספק דרך פוטנציאלית להופעת תכונה מחדש על פני טווחי זמן אבולוציוניים ארוכים.
באג מקל.
במחקר החדש, פורני ושותפיו למחבריו ברברה מנטובאני, אלכסנדר ס. מיקייב ואנדראה לוצ'טי ביצעו ניתוח השוואתי של שלושה מינים של חרקי מקל בסוג בצילוס. בזמן Bacillus grandii marettimi אוכלוסיות מורכבות מזכרים ונקבות המתרבים מינית, באצילוס אטיקוס אוכלוסיות איבדו את היכולת לייצר זכרים, הכוללות רק נקבות שמתרבות על ידי פרתנוגנזה. מין שלישי, בצילוס רוססיוס, כולל הן אוכלוסיות מיניות והן אוכלוסיות פרתנוגנטיות שאיבדו את היכולת לייצר זכרים. על ידי חקר גורלם של גנים המעורבים ברבייה זכרית בשלושת המינים הללו, ביקשו המחברים לחקור את המידה שבה הגנים נשמרים לאחר אובדן תכונות ואת המנגנונים הפוטנציאליים המניעים שימור זה.
ממצאים מפתיעים בשימור גנים
החוקרים זיהו לראשונה רשתות גנים שהביטוי שלהן נמצא בקורלציה עם רבייה של זכר או נקבה במין המיני B. marettimi ולאחר מכן העריכו את אותם גנים ב ב' אטיקוס ו B. rossius. באופן מפתיע, גנים הקשורים לזכר לא הראו סימנים של ברירה מוחלשת או אבולוציה מואצת בהשוואה לגנים הקשורים לנקבה במין הפרתנוגנטי. יתר על כן, דפוסים הקשורים לזכר של ביטוי גנים נשמרו באופן חלקי בשני המינים הפרתנוגנטיים.
החוקרים מצאו כי גנים ברשתות הקשורות לנשים באו לידי ביטוי בעיקר ברקמות הרבייה הנשיות, בעוד שגנים ברשתות הקשורות לגברים באו לידי ביטוי בזכרים. ו רקמות רבייה נשיות, כולל נקבות מיניות וגם נקבות פרתנוגנטיות. זה מצביע על כך שגנים הקשורים לזכר עשויים גם למלא תפקידים ברבייה נשית. מעורבותו של גן בתהליכים ביולוגיים מרובים ידועה כפליוטרופיה, ותופעה זו עשויה להסביר את שימור הגנים הקשורים לזכר בחרקי המקל הפרתנוגנטיים הללו, כפי שהועלתה בעבר.
צילום של חרק מקל. קרדיט: פיליפו קסטלוצ'י
יתרה מכך, המחברים מצאו שגנים שהיו קשורים מאוד לגנים רבים אחרים ברשת נוטים יותר להתבטא ברקמות הרבייה של פרתנוגנים, מה שמרמז כי קישוריות הרשת של הגן עשויה להשפיע גם על שימור הגנים שלו לאחר אובדן תכונה. יחד, ממצאים אלה מצביעים על "שתוכנית הקרקע המולקולרית של תהליך הרבייה הגברי שאבד פעם אחת עשויה להימשך עקב השפעות פליאוטרופיות על תכונות אחרות", מסביר פורני. "גנים שונים עשויים לבצע מסלולים שונים של שימור וריקבון בהתאם לרמת הפליוטרופיה ברשת הרגולטורית של הגנים."
מחקר זה לא רק שופך אור על התמדה של ארכיטקטורה גנטית לאחר אובדן תכונות, אלא גם מציע הצצה פוטנציאלית להופעתם של זכרים נדירים ומין סתמי (כלומר יצירה אפיזודית של זכרים ורבייה מינית), אשר נצפו במספר הולך וגדל של שושלות אשר חשבו שאיבדו את היכולת לייצר זכרים מזמן. זה פותח אפיקים פוטנציאליים חדשים למחקר, עם השלכות שעשויות להגיע הרבה מעבר לחרקים מקל.
"ההסתכלות על כמה שימור גנטי נרחב לאחר אובדן תכונה הוא בקנה מידה גדול יותר נשאר בסיסי. למרות ש בצילוס מכלול המינים מציע מסגרת נחמדה לטיפול בבעיות אלו, זה יהיה שימושי לנתח מכלול מינים גדול יותר שבו התרחשו מעברים מרובים בין אסטרטגיות רבייה", מציין פורני. "למרות שלעתים קרובות יש צורך להסתמך על מיני מודל כדי לגלות ולנתח תהליכים ביולוגיים, חשוב עוד יותר לבדוק את ההשערות שלנו בהקשר רחב יותר. זה יתאפשר רק אם נקדיש יותר מאמץ להתבוננות ולנתח את המגוון המדהים של האורגניזמים וההתאמות המורכבות שלהם".
