Un gen multipropósito facilita la evolución de un arma animal

ARRIBA: zancudos de agua salvajes (Microvelia longipes) en un charco. Los animales con terceras patas largas son los machos; los otros son hembras.ABDERRAHMAN KHILA

Los cuernos de escarabajo y los cuernos de alce son llamativas armas animales que crecen hasta alcanzar proporciones descomunales: los escarabajos grandes, por ejemplo, tienen cuernos desproporcionadamente más grandes que sus homólogos más pequeños. Aunque este fenómeno, conocido como hiperalometría, ha sido bien documentado, la base genética para la evolución de los rasgos hiperalométricos sigue sin entenderse por completo.

Ahora, investigadores del Institut de Gntique Fonctionelle en Lyon, Francia, han descubierto que las terceras patas enormemente exageradas del zancudo acuático Microvelia longipes, que los machos usan para luchar por el acceso a las hembras, están reguladas por un gen llamado BMP11. Ese gen no solo regula el tamaño y el patrón de escala del arma de los zancudos acuáticos, sino que, inesperadamente, también está involucrado en el comportamiento de lucha de los machos, informan los investigadores en un estudio publicado hoy (11 de mayo) en PLOS Biology.

Es uno de los primeros estudios en responder a esta pregunta de qué causa la proporción y cómo escala la proporción a nivel genético, dice Kenneth McKenna, un postdoctorado en la Universidad de California, San Diego, que estudia la escala y el crecimiento en ratones.

El hecho de que BMP11 regule tres rasgos interrelacionados es una bendición y una maldición, desde el punto de vista de la capacidad de evolución, dice Rajendhran Rajakumar, un especialista en desarrollo evolutivo. biólogo de la Universidad de Ottawa. Por un lado, ese gen puede orquestar esencialmente la covariación extrema del tamaño del cuerpo, el tamaño de las piernas y el comportamiento. Por otro lado, si tuviera que seleccionar un cambio en el tamaño de las piernas pero no en la agresividad o el tamaño del cuerpo, en realidad podría ser más difícil hacerlo, porque BMP11 interrelaciona estos tres rasgos.</p

Abderrahman Khila, el autor principal del estudio, se encontró por primera vez con estos zancudos acuáticos mientras buscaba otros insectos en la Guayana Francesa. Notó las terceras patas extremadamente exageradas de M. longipes deslizándose sobre la superficie de charcos efímeros poco profundos que quedaron después de una lluvia, y agarró algunos de ellos para llevarlos al laboratorio.

En la naturaleza, los machos protegen y luchan sobre pequeñas partículas flotantes en los charcos donde las hembras ponen sus huevos. Los machos usan sus largas terceras patas para alejar a otros machos de la partícula que están protegiendo. Hay una competencia intensa en estos insectos, porque viven en enjambres en un espacio muy pequeño. Por lo tanto, los machos siempre están peleando, dice Khila.

Los machos pelean entre sí por una partícula flotante en la que las hembras ponen huevos ABDERRAHMAN KHILA

Para entender por qué las piernas de los machos se hicieron tan largas, Khila y sus colegas secuenciaron los transcriptomas. de las piernas de machos y hembras. Usaron varias líneas genéticas diferentes de zancudos acuáticos, incluidas poblaciones que fueron criadas en el laboratorio para tener piernas relativamente cortas o largas. Al comparar los transcriptomas de las diferentes líneas, sexos y la tercera pata masculina con la primera y segunda patas más cortas, los investigadores identificaron alrededor de 30 genes candidatos que parecían estar involucrados en el crecimiento exagerado de la extremidad.

Ellos luego usó la interferencia de ARN para derribar los genes candidatos uno por uno en Microvelia longipes y otras especies de Microvelia  estrechamente relacionadas. Dos de los genes tuvieron efectos importantes sobre la longitud de las piernas: el gen HOX Ubx y el factor de diferenciación de crecimiento BMP11.

En M. longipes, la caída de BMP11 produjo el cambio más fuerte en el fenotipo: las terceras patas eran más cortas en los machos alterados en comparación con los machos con su expresión genética intacta. La caída también redujo el tamaño del cuerpo. Además, el gen parecía ser un regulador clave de la pendiente de la relación de escala alométrica entre el tamaño de la pierna y el cuerpo. Esa relación de escala describe matemáticamente cómo un cambio en la longitud de las piernas está relacionado con un cambio en el tamaño del cuerpo. Cuando derribamos [el gen], reducimos drásticamente la pendiente en los machos, pero no afecta la pendiente en las hembras, explica Khila. La asociación entre el crecimiento de la pierna y el crecimiento del cuerpo parece estar regulada por este único gen, BMP11.

Sin embargo, lo más inesperado fue que el BMP11 knockdown ya no mostraban ningún comportamiento de lucha. Los machos se juntan alrededor de la hembra y no se prestan atención. Tendrás cinco o seis machos tratando de aparearse al mismo tiempo, y no hay un comportamiento de pelea, dice Khila.

Este efecto fue específico del M. longipes machos. En M. longipes y en machos y hembras de otras especies de Microvelia, el derribo de BMP11 redujo el tamaño del cuerpo pero no afectó la descamación de las piernas ni el comportamiento de lucha.

Este es un gran ejemplo de cómo al mirar diferentes especies dentro del mismo género, puedes tener una muy buena idea de lo que sucede en la especie focal, dijo Rajakumar.

De izquierda a derecha, un un macho grande con patas largas, un macho pequeño con piernas más pequeñas y una hembra ABDERRAHMAN KHILA

Esta no es la primera vez que BMP11 genera entusiasmo en la comunidad biológica. Hace aproximadamente una década, el gen se identificó como un posible factor antienvejecimiento. Los experimentos en ratones demostraron que la conexión de los sistemas circulatorios de un ratón viejo y un ratón joven podía rejuvenecer al ratón viejo, y BMP11 parecía ser involucrados en este efecto. Ahora, parece tener un papel biológico completamente novedoso.

Tenemos un gen que está involucrado en los tres rasgos conectados en los machos: el aumento del tamaño de la pierna, el aumento de la pendiente alométrica y la intensidad del comportamiento de lucha, dice Khila. Una de las conclusiones del artículo es que la pleiotropía, el hecho de que este gen controle estos rasgos interconectados al mismo tiempo, promoverá la evolución de la exageración de rasgos, porque todos estos rasgos combinados aumentarán el éxito de apareamiento en los machos, dice.

W. Toubiana et al., El factor de crecimiento BMP11  es necesario para el desarrollo y la evolución de un arma exagerada masculina y su comportamiento de lucha asociado, doi:10.1371/journal.pbio.3001157, PLOS Biol, 2021.