Biologia ed ecologia evolutiva: da insetti terrestri a insetti in grado di camminare sull’acqua
Chiunque abbia visto un lago o un piccolo stagno avrà assistito alla meraviglia evolutiva di quei curiosi insetti che corrono sull’acqua senza alcun problema, come se fossero sulla terraferma. Un progetto dell’UE ha permesso all’ENS de Lyon di studiare la genetica alla base di questa capacità.
Gli eterotteri e i gerromorfi, due specie di insetti semi-acquatici, dominano le superfici dell’acqua di tutto il mondo e sono diventati una specie di curiosità scientifica. Per capire questo tipo di adattamento – questi insetti infatti non sono che un’evoluzione delle loro controparti terrestri – sono necessari studi integrativi che associno la biologia evolutiva dello sviluppo e l’ecologia evolutiva.
Il progetto WATER WALKING (Developmental genetics and adaptive bases of a major ecological transition – How to walk on water!) sta cercando di fare proprio questo. Abderrahman Khila, leader di gruppo presso l’ENS de Lyon, è impegnato nello sviluppo di un approccio multi-livello per studiare in che modo l’interazione tra i percorsi genetici dello sviluppo e l’ambiente ecologico possano indirizzare un’evoluzione morfologica come quella osservata negli insetti semi-acquatici.
Perché è così difficile integrare la biologia evolutiva dello sviluppo e l’ecologia evolutiva?
Abbiamo bisogno di strumenti e allo stesso tempo di un buon contesto ecologico. Gli attuali modelli standard (Drosophila, topi, danio zebrato, ecc.) costituiscono ottimi strumenti ma mancano di contesto ecologico. Non ci sono modelli naturali, che di solito sono scelti in ragione di uno specifico contesto ecologico, per un uso di routine di strumenti sofisticati, come transgenesi o genetica.
In che modo lo studio di insetti semi-acquatici può aiutare a superare questi problemi?
Gli insetti semi-acquatici pongono una serie di problemi biologici particolarmente interessanti che ci permettono di affrontare questioni riguardanti l’adattamento e la diversificazione delle specie. Inoltre questi insetti si sono dimostrati piuttosto disponibili in termini di trasferimento di determinati strumenti genetici: Questo rende possibile affrontare tali questioni in modo dettagliato e integrativo e cioè associando la genetica dello sviluppo a ecologia e evoluzione.
Un aspetto interessante della biologia di questo gruppo di insetti è la loro capacità di occupare la superficie dell’acqua come un nuovo habitat (i loro antenati erano terrestri) e quindi acquisire nuove opportunità ecologiche. Ad accompagnare questa transizione c’è un’ampia gamma di fenotipi degni di nota come la lunghezza delle zampe, l’inversione dello schema della lunghezza delle zampe (le seconde zampe sono le più lunghe negli insetti pattinatori, mentre nella maggior parte degli insetti le più lunghe sono le terze) e del modo in cui generano il movimento sul substrato liquido. Mostrano inoltre una serie di fenomeni sessualmente rilevanti come spettacolari dimorfismi e plasticità fenotipica spesso causati da un conflitto tra i generi.
Questo, insieme agli strumenti che siamo stati in grado di creare, ha fatto una grande differenza nell’integrazione di ecologia, evoluzione e genetica dello sviluppo.
Che procedimento avete usato per studiare questi insetti?
Sono stato invitato a partecipare allo studio della base genetica del conflitto sessuale negli insetti pattinatori dal prof. Locke Rowe (Università di Toronto) in collaborazione con il prof. Ehab Abouheif (McGill University, Montreal). La mia prima condizione è stata che avremmo cercato di testare alcune tecniche basilari, il che è andato molto bene. Ha funzionato talmente bene che ho deciso di costruire il resto della mia carriera su questo sistema.
Quali sono le cose principali che avete scoperto finora?
Gli insetti pattinatori generano movimenti sull’acqua usando un trucco molto efficiente: hanno sviluppato seconde zampe allungate a forma di pagaia che fungono da remi. Le seconde zampe di destra e sinistra effettuano simultaneamente un movimento di vogata attraverso l’acqua proprio come i remi di una barca.
La prima domanda che ci siamo fatti è stata, in che modo si sono evolute tali modifiche morfologiche e funzionali? Abbiamo scoperto che un gene Hox chiamato Ultrabithorax (Ubx; che si è conservato dagli invertebrati negli esseri umani) ha cambiato la sua espressione spaziale e temporale e che questi cambiamenti hanno dato alla seconda zampa l’aspetto che ha adesso. La cosa veramente sorprendente è che questo gene rende la seconda zampa lunga e la terza zampa corta, il che ha come risultato la caratteristica morfologia degli insetti pattinatori. Abbiamo scoperto che questi ruoli opposti del gene sono mediati attraverso differenze della quantità di proteina Ubx che ciascuna zampa possiede. Più in particolare, una dose bassa – nel caso della seconda zampa – di Ubx promuove la crescita, mentre una dose alta – nel caso della terza zampa – di Ubx sopprime la crescita.
Chiedendoci in che modo tali differenze di dose potessero risultare in effetti opposti sulla crescita delle zampe, abbiamo scoperto che i geni regolati dalla Ubx rispondono in modo diverso ai suoi livelli. Abbiamo scoperto, per la prima volta, che un’antica proteina del sistema immunitario (importante per la processazione e la presentazione dell’antigene) chiamata gilt è adesso controllata dall’Ubx. A una dose bassa di Ubx (seconda zampa) si esprime la gilt che contribuisce a rendere la gamba più lunga. A una dose alta di Ubx (terza zampa) l’espressione della gilt è completamente soppressa il che contribuisce a mantenere corta la zampa.
Oltre alla locomozione sui fluidi, abbiamo scoperto che la forma delle zampe degli insetti pattinatori è sottoposta a selezione da parte dei predatori che colpiscono da sotto il fluido, come i pesci. Questo lavoro ci permette di capire in che modo la selezione (esigenza di locomozione sui substrati del fluido e predazione) possano dare forma alla morfologia animale mediante cambiamenti in un programma di sviluppo pre-esistente e mediante l’emergere di nuove interazioni genetiche.
Cosa vi rimane ancora da fare prima della conclusione del progetto?
Ci sono diversi progetti ancora in atto. Il primo cerca di capire in che modo questi animali hanno acquisito la capacità di mantenere il proprio peso corporeo sull’acqua mentre molti altri annegherebbero. Piccoli peli sulle zampe permettono di intrappolare l’aria e così formare un cuscinetto tra la zampa e la superficie dell’acqua. Vorremmo capire in che modo la forma e la densità di questi peli si siano fissate durante lo sviluppo.
Un altro importante progetto affronta la questione di come emergono le novità evolutive. Alcune specie si specializzano in acque che scorrono velocemente e hanno sviluppato un’elica sulla punta della loro seconda zampa, una specie di ventilatore. Abbiamo scoperto che questa novità è emersa mediante la comparsa di un nuovo gene per duplicazione. È interessante perché generalmente si concorda che le novità possono emergere riutilizzando geni pre-esistenti.
Un altro progetto infine si occupa della selezione sessuale. Una specie di insetti in grado di camminare sull’acqua mostra uno spettacolare polimorfismo nei maschi in termini di lunghezza delle zampe, alcuni maschi hanno zampe corte (anche alcune femmine) mentre altri hanno zampe lunghissime. Adesso sappiamo che la lunghezza delle zampe è importante per i maschi per combattere e conquistare le femmine e che i maschi con le zampe più lunghe vincono spesso. Stiamo cercando di capire in che modo questa spettacolare plasticità fenotipica possa evolversi da una prospettiva sia ecologica che evolutiva.
Oltre all’integrazione di due discipline, quali pensate potrebbero essere i principali benefici della vostra ricerca?
L’integrazione di per sé non è l’obiettivo principale. L’obiettivo è capire in che modo si crea la diversità e quali sono i fattori che vi contribuiscono. Le risposte a questo importante quesito sono state sparpagliate e troncate perché i campi di studio (come la biologia evolutiva, l’ecologia, la genetica della popolazione, ecc.) non si influenzano sufficientemente a vicenda. Integrandole, speriamo di arrivare a una comprensione più profonda della diversità in generale.
WATER WALKING
Finanziato nell’ambito di FP7-PEOPLE
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