I genomi di farfalle e falene sono per lo più invariati nonostante 250 milioni di anni di evoluzione

I ricercatori del Wellcome Sanger Institute e i loro collaboratori dell’Università di Edimburgo hanno analizzato e confrontato oltre 200 genomi di alta qualità a livello cromosomico di farfalle e falene per comprendere meglio la loro storia evolutiva.

Hanno inoltre scoperto rari gruppi di specie che hanno infranto queste norme genetiche e hanno subito riarrangiamenti genetici, comprese le fusioni cromosomiche – dove due cromosomi si fondono – e le fissioni – dove un cromosoma si divide.

I risultati, pubblicati oggi (21 febbraio) in Ecologia ed evoluzione della natura, fanno luce sugli stretti vincoli che governano l’evoluzione del genoma in questi insetti ecologicamente vitali. Offrono anche approfondimenti sui fattori che hanno consentito a specie selezionate di sfidare queste regole dell’evoluzione. Queste intuizioni possono informare e migliorare gli sforzi di conservazione guidando strategie mirate, monitorando la salute dell’ecosistema, adattandosi ai cambiamenti climatici e incorporando informazioni genetiche in iniziative di conservazione più ampie.

L’opera fa parte del Darwin Tree of Life Project¹con l’obiettivo di sequenziare tutte le 70.000 specie in Gran Bretagna e Irlanda e contribuisce al più ampio progetto Earth BioGenome per sequenziare tutte le 1,6 milioni di specie nominate sulla Terra².

Lo studio solleva domande più ampie su come i cambiamenti cromosomici modellano la biodiversità nel tempo. I ricercatori continueranno gli sforzi mirati per sequenziare tutte le 11.000 specie europee di farfalle e falene come parte del progetto Psyche appena lanciato³.

Farfalle e falene, chiamate collettivamente lepidotteri, rappresentano il 10% di tutte le specie animali descritte e sono impollinatori ed erbivori estremamente importanti in molti ecosistemi.

In questo nuovo studio, i ricercatori del Wellcome Sanger Institute e i loro collaboratori si sono proposti di comprendere i processi che guidano l’evoluzione dei cromosomi di questo gruppo altamente diversificato.

Hanno identificato 32 elementi costitutivi dei cromosomi ancestrali, chiamati “elementi Merian” in onore della pionieristica entomologa del XVII secolo Maria Sibylla Merian, che sono rimasti intatti nella maggior parte delle specie di farfalle e falene sin dal loro ultimo antenato comune oltre 250 milioni di anni fa.

Con l’eccezione di un singolo evento di fusione antica tra due cromosomi che ha portato ai 31 cromosomi osservati nella maggior parte delle specie oggi⁴, i cromosomi della maggior parte delle specie attuali corrispondono direttamente a questi elementi Merian ancestrali. Il team ha scoperto che non solo i cromosomi erano incredibilmente stabili, ma lo era anche l’ordine dei geni al loro interno.

Il team ha trovato alcune specie con cambiamenti minori, che coinvolgono principalmente fusioni di piccoli autosomi⁵ e il cromosoma sessuale. Ciò evidenzia il ruolo della lunghezza dei cromosomi come motore del cambiamento evolutivo.

Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto un raro sottoinsieme di specie come le farfalle blu… Lysandra — e il gruppo contenente le farfalle cavolaie — Pieris – che hanno sfidato questi vincoli della struttura del genoma. Questi gruppi sono stati sottoposti a un vasto rimescolamento cromosomico, inclusa la rottura dei cromosomi, e un rimpasto su larga scala attraverso la fissione e la fusione.

Il lavoro migliora la comprensione dei fattori che portano alla diversità genetica all’interno di questi insetti. Ciò può guidare gli sforzi per proteggere e preservare specie specifiche che affrontano sfide uniche e cambiamenti ambientali legati al cambiamento climatico.

Charlotte Wright, prima autrice dello studio presso il Wellcome Sanger Institute, ha dichiarato: “I cromosomi della maggior parte delle farfalle e falene che vivono oggi possono essere fatti risalire direttamente ai 32 elementi Merian ancestrali che erano presenti 250 milioni di anni fa. È sorprendente che, nonostante “Quando le specie si diversificano ampiamente, i loro cromosomi sono rimasti notevolmente intatti. Ciò sfida l’idea che i cromosomi stabili possano limitare la diversificazione delle specie. In effetti, questa caratteristica potrebbe essere una base per costruire la diversità. Speriamo di trovare indizi in gruppi rari che hanno eluso queste regole.”

Il professor Mark Blaxter, autore senior dello studio e capo del programma Tree of Life presso il Wellcome Sanger Institute, ha dichiarato: “Studi come questo, che ci permettono di approfondire questi processi evolutivi, sono possibili solo con iniziative come il Darwin Tree of Progetto Life che genera assemblaggi di genomi di alta qualità e disponibili al pubblico. Stiamo amplificando questi sforzi nel Progetto Psyche, con l’obiettivo di sequenziare tutte le 11.000 specie di farfalle e falene in Europa con collaboratori in tutto il continente. Come impollinatori vitali, erbivori e fonti di cibo di vari ecosistemi , oltre a potenti indicatori della salute dell’ecosistema, una comprensione più profonda della biologia delle farfalle e delle falene attraverso il Progetto Psyche informerà gli studi futuri sull’adattamento e la speciazione per la conservazione della biodiversità.”

Appunti:

1. Questo lavoro fa parte del progetto Darwin Tree of Life che mira a sequenziare i genomi di 70.000 specie di organismi eucarioti in Gran Bretagna e Irlanda. Si tratta di una collaborazione tra biodiversità, genomica e partner di analisi che sta trasformando il modo in cui facciamo biologia, conservazione e biotecnologia.
2. L’Earth BioGenome Project è una rete globale di iniziative e istituti che mirano a sequenziare tutti gli 1,6 milioni di specie nominate sul pianeta, per promuovere soluzioni per preservare la biodiversità.
3. Il progetto Psyche sequenziarà i genomi di tutte le 11.000 specie europee di lepidotteri, contribuendo a conservare, proteggere e promuovere l’innovazione.
4. Ciò è accaduto nel ramo evolutivo che porta alla Ditrysia, il gruppo di lepidotteri più diversificato, contenente oltre il 98% di tutte le specie descritte di farfalle e falene.
5. Gli autosomi sono i cromosomi non sessuali che trasportano informazioni genetiche che influenzano tratti come la colorazione e il modello delle ali, distinti da quelli che determinano il sesso dell’insetto.