Motýlí samci zvolili velikost svých kopulačních zátek moudře. Dělali větší špunty, když byla konkurence vyšší nebo když byla samice plodnější.

Vědci z Maďarska pozorovali motýly šest let, aby zjistili, co určuje velikost špuntu, kterým samci po páření uzavřou samice reprodukční trakt, aby je neoplodnil někdo jiný. Ukázalo se, že svou roli hraje úroveň konkurence a plodnost samic: čím vyšší jsou, tím větší je zástrčka, což znamená, že se samec více snaží zvýšit pravděpodobnost svého otcovství. Studie byla zveřejněna v Ekologie a evoluce.

Samci některých zvířat po páření zanechají uvnitř samičího genitálního traktu zátku, která samici brání v páření s jinými samci. Dokonce i někteří primáti se uchylují k této metodě kopulační ochrany. Motýli dělají totéž: u mnoha druhů jsou malé vnitřní zátky, ale ve dvou čeledí – Nymphalidae (nymphalidae) a Plachetnice (Motýli) – velké formace, které jsou částečně umístěny venku. Říká se jim sfragis; uzavřou kopulační otvor, ale nebrání samičkám v kladení vajíček.

Nedávná studie motýlů Mnemosyne (Parnassius mnemosyne) čeleď vlaštovičníků ukázala, že tvary a velikosti útvarů uzavírajících kopulační burzu se liší. Vědci identifikovali malé útvary ve formě nití nebo zátek a velké ve formě zakřiveného listu umístěného na korku. Ti větší je nazývali štíty a poznamenali, že přesně odpovídají tomu, čemu se říká sfragis. Zdá se, že velikost formací odráží, jak silně samec investuje do postkopulační ochrany: malé zátky lze snadno odstranit, ale sfragis je téměř nemožné.

Nyní se Adam Gór z Univerzity veterinárního lékařství v Budapešti a jeho kolegové rozhodli zjistit, co rozhoduje o přínosu samců a podle toho i o velikosti zátek nebo rašelin, které v samici zanechávají. Výzkumníci předpokládali, že samci investují více do hlídání (tj. vyrábějí větší zátky), když je podíl samců v populaci vyšší – a tedy existuje vyšší konkurence. Také samci mohou investovat více, když je samice větší, tedy plodnější.

Vědci sledovali populaci šest let P. mnemosyne na kopcovité louce Hegyesd v Maďarsku. Chytili samičky motýlů, označili je a zase vypustili. Délka štítu (sphragis), pokud nějaký byl, se měřila v motýlech – pohybovala se od 3,8 milimetrů do 13 – a šířka hrudníku. Šířka hrudníku se stárnutím jedince zmenšuje a ukazuje na jeho reprodukční kvalitu. Autoři také měřili šířku hlavy, která je považována za ukazatel velikosti těla hmyzu, který souvisí s plodností. Velikost hlavy se s věkem nemění.

Za pouhých šest let autoři pozorovali 492 motýlů. Ve 154 případech odchytu byl kopulační otvor samice volný, v dalších 247 případech se jednalo o nitkovité nebo zátkové útvary a ve 356 případech se jednalo o štíty nebo sfragis. Protože vědci chytili stejné motýly vícekrát, byli schopni pozorovat, jak se ochranné zátky ztrácely nebo byly nahrazeny jinými – to se stávalo mnohem častěji v případě malých útvarů než v případě sfragis. Nejspolehlivější byly přitom nejdelší sfragis: riziko jejich ztráty bylo 25–27krát nižší než v případě kratších sfragií. Obecně platí, že velké sfragis skutečně fungovaly lépe a přesněji chránily samici před pářením s novými samci, téměř ve všech případech s ní zůstaly až do konce života.

Pravděpodobnost získání štítu byla vyšší u žen s širším hrudníkem a hlavou. Ale velikost štítu korelovala pouze s šířkou hrudníku. Ženy také měly vyšší šanci na získání štítu, pokud byl v populaci vyšší podíl samců, ačkoli vědci přesně nevědí, jak samci počítají počet konkurentů.

V budoucích studiích budou muset vědci určit roli dalších faktorů, zejména těch, které se v čase mění: vyčerpání zásob, stárnutí, zbytková délka života mužů a žen. Je také důležité zjistit, do jaké míry mohou samice ovládat délku páření a velikost a tvar zátky nebo sfragis. Pokud si samice nemohou vybrat otce budoucího potomstva, trpí genetická variace.

Aby zlepšili své šance na otcovství, samci se uchylují k řadě bizarních strategií. Svilušky například nedospělou samičku nejen hlídají, ale také jí pomáhají shazovat, aby se s ní co nejdříve spářily a nedovolily to konkurentům.

Obr. 1. Morfy žlutohrdlých motýlů na příkladu dvou druhů. U Eurytém colias (nahoru) barva křídel samců je oranžová, a Colias crocea – žlutá. Oba druhy mají dvě samičí morfy: jednu stejně jasně zbarvenou jako samci (recesivní homozygoti) a jednu bílou (dominantní homozygoti a heterozygoti). První druh žije v Severní Americe, druhý v Eurasii (viz obr. 2). Jejich populace se v přírodě nikdy nepotkají. Obrázek z článku, o kterém se diskutuje Věda Zálohy

U mnoha druhů motýlů rodu Colias (Žlutá) Existují dvě jasně rozlišitelné morfy samic: s jasně žlutými/jasně oranžovými křídly as bílými křídly. Znak se dědí jako monogenní, přičemž bílé zbarvení je dominantní nad barevným zbarvením. Výskyt bílé morfy se liší mezi populacemi a druhy. Barva motýlích křídel koreluje s několika fyziologickými a behaviorálními rysy souvisejícími s růstem a rozmnožováním. Nedávno v časopise Věda Zálohy Byly publikovány výsledky studie zaměřené na studium genetického základu tohoto polymorfismu. Ukázalo se, že u všech studovaných druhů (21 druhů) je za vznik bílých křídel zodpovědná stejná mutace v enhanceru regulujícím gen. BarH1 (kóduje transkripční faktor). Samotný zesilovač se nachází ve vzdálenosti několika tisíc nukleotidů od tohoto genu. Tuto situaci vysvětluje jednak dávný původ mutace, který předcházel divergenci druhů, jednak vyvažující selekce, která obě varianty uchovala již několik milionů let. Zdá se, že také dochází k introgresi – přenosu genů z jednoho druhu na druhý prostřednictvím mezidruhové hybridizace.

Rod motýlů Colias – zheltushki – zahrnuje asi 90 druhů. Název rodu je vysvětlen jasně žlutou nebo jasně oranžovou barvou křídel charakteristickou pro tyto motýly. Přinejmenším všichni samci tohoto rodu jsou takoví. U samic je asi u třetiny druhů ikteridů spolu s barevnou morfou popsána přítomnost bílé morfy (alba) u další třetiny druhů jsou všechny samice stejně jasné jako samci a u zbývající třetiny jsou všechny samice bílé (obr. 1). Žlutobřichí motýli žijí na všech kontinentech kromě Antarktidy a Austrálie (obr. 2). A na všech kontinentech lze najít druhy, které mají morfu alba.

Obr. 2. Geografie rozšíření motýlů rodu Colias. Jsou zobrazeny pouze druhy zahrnuté do studie. Většina z těchto druhů vykazuje mezi samicemi polymorfismus barvy křídel. Obrázek z článku, o kterém se diskutuje Věda Zálohy

• Máme co do činění s neutrální variabilitou nebo s adaptačně významným polymorfismem?
• Pokud se jedná o adaptaci, tak v čem konkrétně spočívá výhoda?
• Jaký je mechanismus udržení polymorfismu: vidíme mezistupeň evoluce, kdy nová mutantní varianta postupně vytlačuje méně přizpůsobenou rodovou variantu fenotypu, nebo zde probíhá vyvažující selekce?
• Jaký je genetický základ pro tvorbu různých fenotypových variant?
• Vznikl tento rys již u společného předka rodu zheltushki nebo vznikl u různých zástupců rodu paralelně a nezávisle?

Obr. 3. Výsledky fylogenetické analýzy. levý — strom vytvořený na základě sekvencí několika tisíc vybraných genů, vpravo — strom vytvořený na základě analýzy inzerční sekvence nalezené v morfě alba. V těchto stromech modrá barva odpovídá severoamerickým druhům, žlutý — druhy arktické oblasti, zelená — druhy žijící v Eurasii a Severní Americe, šeřík – jihoamerický druh. Na pravém stromě délka větve odpovídá stupni změny sekvence. Některé větve v tomto diagramu označují stejný druh – v těchto případech byly analyzovány sekvence od několika jedinců tohoto druhu z různých populací. Z diskutovaného článku bylo možné získat a analyzovat sekvence lokusu alba pro 14 z 21 druhů Věda Zálohy

Jak zadané vložení ovlivňuje funkci? Autoři navrhli, že funguje jako zesilovač (transkripční zesilovač) ve vztahu ke genu BarH1a to zase nějak potlačuje syntézu pterinů. K ověření této hypotézy byl proveden experiment s úpravou genomu pomocí systému CRISPR/Cas9. Nejprve byl použit bioinformatický nástroj k hledání potenciálních vazebných míst pro transkripční faktory známé z hmyzu. Mezi nimi byla dvě rozpoznávací místa pro faktor Dsx (doublesex), který je u much zodpovědný za znaky spojené s pohlavím (tato skutečnost je zde obzvláště důležitá, protože morfa alba je specifická pouze pro samice). Vezmeme-li v úvahu umístění předpokládaných míst, byly vybrány čtyři gRNA pro cílení na protein Cas9: dvě z nich přímo ovlivňují místa Dsx, další dvě jsou umístěny vlevo a vpravo od prvního ve vzdálenosti asi 200 nukleotidů. Výsledná oblast obsahuje nejhustěji sbalená předpokládaná vazebná místa transkripčního faktoru. Pro provedení mutageneze byl protein spolu se všemi čtyřmi gRNA mikroinjikován do motýlího vajíčka (experimenty byly prováděny na motýlech C. croceus) v prvních hodinách po pokládce.

Toto video ukazuje, jak se provádějí experimenty s úpravou genomu pomocí systému CRISPR/Cas u motýlů

Z 200 vajíček podrobených této operaci bylo získáno 39 živých housenek, ale pouze pět z nich bylo schopno přežít do motýlího stádia: dva samci, jedna oranžová samice a dvě samice s fenotypem alba. Na pozadí bílých křídel měly tyto samice mozaiku oranžových úlomků – přesně to vědci očekávali (obr. 4). Podobný mozaikový vzor se objevil, když byl editační systém zaměřen na kódující exon genu. BarH1.

Obr. 4. Výsledky experimentů s úpravou genomu motýla. Jsou ukázány mutanty získané pro genotyp alba. nahoru — výsledek vnesení mutace se ztrátou funkce do exonu genu BarH1. Dole dole — výsledek vnesení mutace do oblasti domnělého zesilovače genu BarH1. Uprostřed diagramu Jsou znázorněny gen a sekvence zesilovače umístěné po jeho straně. Šipky Jsou uvedena místa cílená systémem CRISPR/Cas9. Zavedené mutace ovlivňují pouze část buněk embrya, což má za následek mozaikovitost znaku. Když sekvence kódující protein zmutuje, objeví se abnormality, jako jsou žluté skvrny na křídlech a tmavé pruhy na očích. Když enhancer zmutuje, změní se pouze barva křídel. Obrázek z článku, o kterém se diskutuje Věda Zálohy

Jak ukázaly experimenty, lokus skutečně představuje nový regulační prvek a tento zesilovač mění genovou expresi. BarH1 lokálně, to znamená, že ovlivňuje pouze pigmentaci křídel, nikoli však pigmentaci očí nebo jiné vitální funkce genu. Je důležité poznamenat, že kromě změn pigmentace mutanty vykazovaly také očekávané změny ve spektru lipidů uložených v kukle. To znamená, že přítomnost nebo nepřítomnost inzerce v genomu motýla současně ovlivňuje jak morfologické, tak fyziologické vlastnosti motýlů – to je případ, kdy se mluví o pleiotropním (mnohonásobném) účinku alel. Studie tedy ukázala, že mutace, která podléhá vyrovnávací selekci, může přetrvávat velmi dlouhou dobu. Včetně na pozadí intenzivní speciace: koneckonců stáří rodu ikteridů, sestávajícího z téměř stovky druhů, se odhaduje na přibližně 2,5 milionu let. Lze dodat, že o něco dříve jiná skupina výzkumníků provedla rozsáhlou analýzu vývoje ženského dimorfismu v ještě větší skupině – podčeledi Coriadinae (včetně asi 190 druhů motýlů), který spolu se žlutými motýly zahrnuje více než tucet rodů (LB Limeri, NI Morehouse, 2016. Evoluční historie polymorfismu ‚alba‘ v podčeledi motýlů Coliadinae (Lepidoptera: Pieridae)). Jejich závěr je ještě silnější: autoři tvrdí, že s největší pravděpodobností dimorfismus vznikl u společného předka celé podčeledi a od té doby se zachoval u zástupců mnoha rodů této podčeledi (obr. 5). Nyní, když vědci vědí, kde hledat, mají výzkumníci příležitost najít spolehlivé potvrzení (nebo vyvrácení) tohoto předpokladu.

Obr. 5. Fylogenetický strom a navrhovaná evoluční historie barevných vzorů v podčeledi motýlů Coriadinae. Rozděleno na sektory kruhy Vnitřní uzly stromu odrážejí rozdělení pravděpodobnosti, že daný rodový druh měl monomorfní barevný fenotyp, fenotyp alba, nebo byl polymorfní. V kruzích vpravo Název rodu odráží podíl druhů, které se vyznačují polymorfismem nebo monomorfismem samic. Oblast kruhů blízko každého rodu odráží velikost rodu (počet druhů). Rod Colias největší v podčeledi. Podle tohoto schématu byl již předchůdce tohoto rodu polymorfní a monomorfismus u dvou třetin druhů je důsledkem sekundární ztráty barevných nebo bílých morf (tento závěr činí i autoři diskutované práce). Společný předek celé podčeledi byl také vysoce pravděpodobně polymorfní. Obrázek z LB Limeri, NI Morehouse, 2016. Evoluční historie polymorfismu ‚alba‘ v podčeledi motýlů Coliadinae (Lepidoptera: Pieridae)

Zdroj: Kalle Tunström, Alyssa Woronik, Joseph J. Hanly, Pasi Rastas, Anton Chichvarkhin, Andrew D. Warren, Akito Y. Kawahara, Sean D. Schoville, Vincent Ficarrotta, Adam H. Porter, Ward B. Watt, Arnaud Martin, Christopher W. Wheat. Důkaz pro jediný prastarý původ celorodové alternativní strategie historie života // Věda Zálohy. 2023. DOI: 10.1126/sciadv.abq3713. Taťána Romanovská