Rojo y negro: la genética de los lunares de las mariquitas

Arnaud Estoup, Inra; Benjamin Prud’homme, Centre national de la recherche scientifique (CNRS); Junichi Yamaguchi, Centre national de la recherche scientifique (CNRS) y Mathieu Gautier, Inra

¿Cuál es la diferencia entre las mariquitas negras con manchas rojas y las mariquitas rojas con manchas negras? Muchos niños, igual que muchos adultos, alguna vez se han hecho esta pregunta. También los científicos.

Desde la década de 1920, ha habido un creciente trabajo sobre la presencia común de patrones de colores distintos en insectos de la misma especie. Grandes figuras de la biología evolutiva, como el genetista Theodosius Dobzhansky o el ecólogo Michael Majerus se han interesado por el asunto.

Uno de los casos más famosos de coloración fue descrito en el siglo XIX en una mariposa, la polilla del abedul, que tenía todo su cuerpo oscurecido. Se le llamó melanismo industrial porque la mutación que hizo que el insecto se volviera negro fue paralela a la revolución industrial en Inglaterra. Una mariposa del color del hollín tiene más posibilidades de sobrevivir en un ambiente contaminado.

Sin embargo, en la mayoría de las especies de insectos afectados por el melanismo, los patrones negros discontinuos y complejos aparecen sólo en ciertas partes del cuerpo del insecto. Este es el caso de la mariquita arlequín, Harmonia axyridis, también conocida como mariquita asiática.

Este insecto es el campeón de la transformación, con más de 200 formas de coloración descritas en hábitats de todo el mundo. Las diversas formas de coloración se corresponden con variaciones de las zonas negras sobre fondo rojo a la altura de los élitros, las durezas que cubren las alas traseras.

El gen de la coloración identificado

Los mecanismos genéticos por los cuales estos patrones de pigmentación aparecen y se mantienen en las poblaciones de mariquitas siguen siendo en gran medida desconocidos.

Desde los años cincuenta se sabe que las diferentes formas de pigmentación son el resultado de variaciones genéticas localizadas en una sola región del genoma, pero que no habían sido caracterizadas anteriormente.

Nuestros equipos de investigación han aplicado su experiencia en genómica de poblaciones y biología del desarrollo para responder a esta cuestión. Y nuestros esfuerzos han sido exitosos: hemos podido caracterizar con precisión las variaciones genéticas y los mecanismos reguladores responsables de los diferentes patrones de coloración de las mariquitas arlequín.

En particular, hemos identificado el gen que codifica por sí solo todas las instrucciones necesarias para dibujar los diferentes patrones que decoran las alas de estos “animalillos del señor”. Los resultados fueron publicados en agosto de 2018 en la revista Current Biology.

Primero, secuenciamos el genoma completo de la Mariquita Arlequín. Luego comparamos los genomas de muchas mariquitas arlequín con diferentes tinturas en varias poblaciones naturales alrededor del mundo para identificar la región del genoma asociada con las variaciones de coloración.

Esto nos permitió identificar una región específica, pero que cubría dos genes vecinos. La inactivación sucesiva de estos dos candidatos permitió decidir: el gen responsable de la formación de patrones negros en los élitros se llama pannier.

Desactivación del gen pannier: las formas salvajes de coloración de la mariquita arlequín (a-d) pierden su coloración negra (e-h) cuando el gen es desactivado por la técnica llamada ‘interferencia de ARN’.
autores, Author provided

El gen pannier se descubrió en la mosca de la fruta en la década de 1980. En general, los nombres de los genes descubiertos se refieren, a menudo con un toque de humor, a las malformaciones físicas visibles cuando este gen está mutado. Para el gen pannier, es la forma del embrión mutante similar a un cesto (pannier en inglés) la que inspiró su nombre a los genetistas que lo descubrieron.

Sorprendentemente, en ningún otro insecto el gen pannier parecía estar relacionado con la producción de patrones de color. Posteriormente, al revelar la ubicación de la proteína producida por este gen, hemos demostrado que el pannier se activa (o expresa) durante la formación del élitro.

La ubicación de la proteína en diferentes zonas celulares de un élitro está relacionada con la distribución espacial de la pigmentación negra. El gen se activa (o se expresa) en diferentes zonas celulares (foto derecha, áreas plateadas) que prefiguran las localizaciones de los puntos negros en un élitro rojo (foto izquierda).
Auteurs, Author provided

Más concretamente, el gen pannier está activo en diferentes poblaciones de células elítricas que prefiguran exactamente dónde aparecerá la pigmentación negra en los adultos. Pannier activa entonces otros genes que aseguran la producción de pigmento negro por parte de estas células y así surge la formación de las famosas manchas negras (en mariquitas “rojas”) o el fondo negro (en mariquitas “negras”).

La actividad del gen pannier está a su vez controlada por las llamadas secuencias reguladoras de ADN, situadas alrededor del gen. Son estas secuencias, muy diferentes en su composición molecular, las que definen las variantes del gen pannier asociado a las diferentes formas de coloración. Las frecuencias de estas variantes fluctúan según la población, creando composiciones muy coloridas dentro de las poblaciones naturales de la mariquita arlequín en todo el mundo.

En resumen, los diferentes patrones de color de la mariquita arlequín tienen su origen genético en las variaciones en la activación espacial de un único gen que orquesta la aplicación de los diferentes patrones de melanización del élitro. En general, estos resultados ilustran cómo las variaciones en un solo gen (genotipos) pueden, en algunos casos, generar una diversidad impresionante de fenotipos.

Más allá de los colores

Se sospecha desde hace mucho tiempo que la coloración de una mariquita, y por lo tanto las variaciones en el gen pannier, afectan a otros rasgos implicados en la supervivencia y reproducción de este insecto. Por lo tanto, la distribución de las diferentes formas de coloración dentro de las poblaciones podría reflejar una respuesta adaptativa a las limitaciones locales (por ejemplo, el clima).

En este contexto, se puede hacer una observación interesante, relacionando el color con la invasividad de esta mariquita arlequín, que desde su hábitat natural en Asia ha colonizado cuatro continentes (Norteamérica, Sudamérica, Europa y África).

Sorprendentemente, la diversidad de formas de color de H. axyridis es limitada en los continentes invadidos. En la mayoría de las regiones recientemente colonizadas (excepto Europa), sólo está presente la forma no melánica (élitro rojo con unas 20 manchas negras).

Hasta la fecha, no ha sido posible determinar si la cuasi-fijación de una sola forma de coloración en el área invadida se debe a contingencias históricas o demográficas (efectos aleatorios simples), o ambas, o a un proceso de selección natural que favorezca la forma no melánica durante la invasión. Nuestros descubrimientos sobre las regiones del genoma responsables de las variaciones de color pueden permitirnos decidir entre estas dos hipótesis.

Arnaud Estoup, Chercheur en génétique des populations et biologie évolutive, directeur de recherche au Centre de Biologie pour la Gestion des Populations de Montpellier, Inra; Benjamin Prud’homme, Chercheur en biologie du développement, directeur de recherche, Centre national de la recherche scientifique (CNRS); Junichi Yamaguchi, chercheur post-doctorant, Centre national de la recherche scientifique (CNRS) y Mathieu Gautier, chercheur en génomique statistique et évolutive des populations, Inra

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original. / Imagen: Shutterstock