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¿Coincide la secuencia de ADN de una mariposa con la de la oruga que solía ser?

¿Coincide la secuencia de ADN de una mariposa con la de la oruga que solía ser?


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Se me acaba de ocurrir este pensamiento.

Si uno tomara una muestra de ADN (¿o es ARN?) De una oruga antes de que se convierta en crisálida, e intentara comparar la muestra con una tomada después de que la crisálida madurara a una mariposa, ¿las dos muestras resultarían idénticas?


El genoma (secuencia completa de ADN) de la mariposa sería idéntico al de la oruga en todas las células somáticas. Una oruga tiene los genes para producir alas, por ejemplo, sin embargo, en esa etapa de su desarrollo, no se 'encienden' para producir las proteínas necesarias.

Si tuviera que tomar una muestra del ARNm producido a partir de la transcripción del ADN en las etapas de oruga y mariposa, es probable que haya muchas diferencias. Como en el ejemplo que utilicé anteriormente, es más probable que los ARNm que se traducen en proteínas formadoras de alas aparezcan en la mariposa que en la oruga. Al decir esto, tenga en cuenta que estoy asumiendo que la regulación de estos genes es pre-transcripcional, ¡no soy un experto en fisiología de las mariposas!


@Rory M

Aquí hay evidencia de reordenamientos del genoma del desarrollo en Himenópteros. He enfatizado la sección relevante del Resumen. Probablemente sea prematuro suponer que cambios similares podrían no ocurrir en las células somáticas de algunos Lepidópteros.

Bigot Y, Jegot G, Casteret S, Aupinel P, Tasei JN (2011) Modificaciones del ADN y reordenamientos del genoma durante el desarrollo y la diferenciación sexual del abejorro Bombus terrestris. Insect Mol Biol. 20: 165-75.

Abstracto
Bombus terrestris es un abejorro que, como la mayoría de las especies de himenópteros, exhibe una determinación sexual específica de ploidía controlada por un gen de un solo sexo. Dependiendo de su ploidía y la represión de feromonas de la reina, los imagoes se diferencian en tres castas: machos, obreras y reinas. Aquí, nos enfocamos en las diferencias de organización del genoma que ocurren durante el desarrollo y la diferenciación sexual. Encontramos que la metilación de la citosina es un factor epigenético significativo con perfiles que pueden correlacionarse con ambos procesos. También mostramos que ocurren dos tipos de reordenamiento genómico. La primera consiste en importantes amplificaciones de ADN que tienen perfiles de secuencia que difieren en los diferentes estadios de desarrollo y sexos. En el segundo tipo, también se producen pérdidas de ADN, al menos en las que interviene el elemento transponible de mosaico B. terrestris mosaico repetición 1 (BTMR1).


Me gustaría ampliar la respuesta de Rory.

Puede pensar en el ADN como un libro muy complejo de recetas (genes) para construir maquinaria celular (por ejemplo, proteínas). Cada genoma tiene un gran repertorio de máquinas que puede construir. Para un organismo dado, todas sus células somáticas tendrán el mismo ADN (más o menos, pero dejemos eso de lado) ya que comienza como una sola célula. A pesar de esto, puede ver que las células pueden tener formas y funciones completamente diferentes. Por ejemplo, observe qué tan diferente es una neurona de una célula muscular o una célula sanguínea en términos de forma y función. Además, las células pueden cambiar en reacción a su entorno.

Entonces, ¿cómo es el repertorio igual pero las células completamente diferentes?

La solucion es elegir qué genes activar. Esto es lo que se llama regulación genética y es un sistema extremadamente complejo, como puede suponer. Es hasta cierto punto el "cerebro" de la célula, con el que las células pueden tomar decisiones y ganar su plasticidad en la función biológica. Este sistema opera en muchos niveles, uno de ellos es mediante el control de la transcripción, es decir, la regulación transcripcional, que controla la cantidad de ARN que se produce a partir de cada gen, que luego se traducirá en algún nivel de activación (la ausencia de ARN significa que el gen no estará activo). . Esta es la razón por la que el ARN probablemente variará ampliamente según el tipo de célula y el estado celular.

En general, cada especie tiene una secuencia de ADN similar con algunas variaciones menores. La secuencia de miembros de la familia será aún más similar y la secuencia de clones (por ejemplo, gemelos idénticos) será virtualmente idéntica. Este tipo de variación es aleatoria y, por lo tanto, no se utilizará como sistema de control. De esto ya se puede adivinar que el cambio de oruga a mariposa será controlado por su programa de regulación genética, ya que es un cambio de desarrollo, de la misma manera que un humano crece a partir de una sola célula embrionaria.

Dicho esto, siempre es posible que se produzcan algunos cambios aleatorios en algún punto del camino y que provoquen diferencias, ya que la biología es estocástica. Sin embargo, para que estos sean consistentes entre todas las células del organismo, tendrían que suceder cuando el organismo es una sola célula, lo que no es el caso cuando se pasa de oruga a mariposa.


Aquí hay una historia interesante de npr.org, ¿Son las mariposas dos animales diferentes en uno? La teoría de la muerte y la resurrección.

Aparentemente, algunas personas están proponiendo una teoría que dice (muy parafraseada) que una mariposa es en realidad dos especies ancestrales diferentes en una. Esta es la cita relevante:

La antigua opinión era que durante millones de años, los animales desarrollaron este hábito de cambiar de un conjunto de instrucciones a otro. La nueva visión es que no se trata de un animal que cambia gradualmente de forma, sino de instrucciones para dos animales diferentes intercalados y este cambio es tan radical, dice Bernd, "sin continuidad de uno a otro, que las formas adultas de estos insertos son en realidad nuevos organismos ".

Lejos.


Estudio avanza 'revolución del ADN', cuenta la historia evolutiva de las mariposas

Al rastrear casi 3.000 genes hasta el ancestro común más antiguo de las mariposas y las polillas, los científicos de la Universidad de Florida han creado un extenso "Árbol de lepidópteros" en el primer estudio que utiliza la secuenciación de ADN de próxima generación a gran escala.

Entre los hallazgos más sorprendentes del estudio: Las mariposas están más estrechamente relacionadas con las polillas pequeñas que con las grandes, lo que cambia por completo la comprensión de los científicos sobre cómo evolucionaron las mariposas. El estudio también encontró que algunos insectos alguna vez clasificados como polillas son en realidad mariposas, aumentando el número de especies de mariposas más de lo que se pensaba anteriormente.

"Este proyecto avanza en la investigación de la biodiversidad al proporcionar una base evolutiva para un grupo muy diverso de insectos, con casi 160.000 especies descritas", dijo Akito Kawahara, autor principal y curador asistente de Lepidoptera en el Museo de Historia Natural de Florida en el campus de la UF. "Con un árbol, ahora podemos entender cómo evolucionó la mayoría de las especies de mariposas y polillas".

Disponible en línea y para ser publicado en la edición impresa de agosto de la Actas de la Royal Society B: Ciencias biológicas, el estudio construye el marco evolutivo para la futura investigación ecológica y genética de insectos, dijo Kawahara.

"Se está produciendo una revolución del ADN", dijo Kawahara. "Este es un momento importante en la historia de la ciencia en el que podemos utilizar la secuenciación del ADN a gran escala".

Kawahara dijo que el estudio de un año es uno de los primeros en utilizar una gran cantidad de datos genéticos para responder preguntas sobre la historia de las mariposas y las polillas. El análisis revela descubrimientos monumentales sobre el linaje de los lepidópteros, que incluyen una fuerte contradicción con la ubicación tradicional de las mariposas en la historia evolutiva, dijo Kawahara.

Usando la secuenciación de próxima generación, un método utilizado para procesar rápidamente grandes cantidades de ADN, los científicos desarrollaron una muestra inicial de 46 especies que representan muchos de los grupos de polillas y mariposas con mayor biodiversidad. También combinaron 33 nuevos transcriptomas, un conjunto de moléculas de ARN, con 13 genomas, los cuales contienen material genético para los organismos. Los investigadores identificaron 2.696 genes descomponiendo el ADN y volviéndolo a unir, dijo Kawahara.

Daniel Rubinoff, entomólogo y director del Museo de Insectos de la Universidad de Hawai, dijo que el nuevo estudio ayudará a los científicos a determinar de manera concluyente dónde pertenecen las mariposas en la historia evolutiva, una pregunta que ha preocupado a los investigadores durante mucho tiempo.

"Este estudio se suma a un creciente cuerpo de conocimiento al traer nuevas técnicas a la mesa y demostrar de manera concluyente las relaciones evolutivas de los insectos más populares del planeta", dijo Rubinoff. "Los métodos son novedosos y se basan en trabajos anteriores. Este es claramente el futuro de la investigación evolutiva de nivel profundo".

La naturaleza tenue y delicada de las mariposas y las polillas es parte de su encanto, pero sus etapas larvarias de cuerpo blando han planteado un problema para los científicos que las estudian en el registro fósil. En el estudio actual, los científicos tenían como objetivo comprender mejor una historia evolutiva que el análisis morfológico y el registro fósil no han logrado establecer firmemente, dijo Jesse Breinholt, coautor e investigador postdoctoral del Museo de Florida.

"Los pocos fósiles de lepidópteros que tenemos son de hace unos 15 millones de años", dijo Breinholt. "El siguiente paso es crear una historia evolutiva fechada para el grupo, desde los primeros antepasados ​​hasta la actualidad".

Investigaciones anteriores basadas en características anatómicas plantearon la hipótesis de que las mariposas son parientes cercanos de las polillas grandes, pero el nuevo árbol sugiere que las mariposas están más estrechamente relacionadas con las (micro) polillas pequeñas, dijo Kawahara. El estudio también sugiere que las mariposas son el grupo ancestral de las decenas de miles de especies de polillas en el planeta, y la familia Hedylidae, comúnmente conocida como polillas mariposas americanas, fueron descartadas como polillas y se descubrió que eran verdaderas mariposas.

El árbol también proporciona una línea de base para probar si la actividad diurna o diurna, un rasgo común de las mariposas, evolucionó mucho antes de lo que los científicos creían anteriormente, posiblemente en un momento en que los murciélagos se extendían por todo el planeta, como un medio para escapar de estos y otros animales nocturnos. depredadores, dijo Kawahara.

Las investigaciones futuras investigarán las causas de las transiciones evolutivas, como la actividad diurna, entre los lepidópteros. Breinholt dijo que aunque el nuevo árbol aclara nuestra comprensión de las relaciones entre mariposas y polillas, aún deben examinarse muchos linajes.

"Espero que este sea un punto de partida para estudios más amplios que den cuenta de la gran diversidad de lepidópteros", dijo Breinholt.


¿Cómo se desarrollan los patrones de las alas en las mariposas?

Lo que queríamos entender con nuestros experimentos era cómo se crean los diferentes patrones en las dos superficies de las alas. Pero, antes de ir allí, hablemos sobre cómo se desarrollan las alas y sus patrones en las mariposas y lo que sabemos actualmente sobre este proceso. Las mariposas, junto con los escarabajos, las moscas, las polillas y las avispas, entran en la categoría de holometálico insectos. Esto significa que las mariposas pasan por una metamorfosis completa, que es la transición de un animal larvario parecido a un gusano a un animal adulto con alas, patas grandes delgadas y ojos grandes. Las mariposas tienen cuatro etapas de vida diferentes durante el desarrollo. Estas son la etapa embrionaria (que tiene lugar dentro del huevo), la etapa larvaria (u oruga), la etapa pupal y la etapa adulta. Los huevos se ponen en las hojas de plantas específicas y las orugas que nacen de los huevos comen estas hojas hasta que entran en la etapa de pupa. La etapa de pupa es cuando la mayoría de los tejidos del cuerpo de las larvas se disuelven y se vuelven a formar para crear la mariposa adulta que finalmente emerge. Las alas de las mariposas se forman a partir de un grupo de células que se separan durante la etapa embrionaria, en forma de discos imaginales . Estos discos imaginales crecen dentro del cuerpo larvario a medida que crecen las larvas, pero en la etapa de pupa los discos imaginales se mueven hacia el exterior del cuerpo y desarrollan su tamaño y forma finales. Puede ver fácilmente las alas delanteras de una futura mariposa examinando cuidadosamente los dos lados de una pupa.

Los patrones de las alas adultas se desarrollan gradualmente en los discos imaginales de las alas a medida que estos discos crecen hasta convertirse en alas adultas. En algún momento durante la etapa de oruga, el ala se & # x0201Cdivide & # x0201D en compartimentos dorsal y ventral. Esta división ocurre porque ciertos genes (secciones de ADN que contienen instrucciones específicas para construir el organismo) se expresan solo en una superficie del ala, digamos la superficie dorsal, pero no en la otra. Después de esta etapa, prepatterns se colocan en el disco, debido a la expresión de diferentes genes en diferentes posiciones del ala (Figura 1B). En esta etapa inicial, ya está claro que los prepatrones son diferentes en las superficies de las alas dorsal y ventral. En una etapa posterior, los colores aparecen en los pretítulos debido a que los genes de pigmentación (color) se activan [1]. Usando nuevamente la analogía de una hoja de papel, podemos crear compartimentos en el papel dibujando líneas y creando pliegues como se muestra en la Figura 1C. Luego, podemos dibujar una imagen en un lado del papel que representa un pre-modelo, y finalmente colorear la imagen usando diferentes combinaciones de colores para obtener el patrón adulto final (Figura 1C).

Los científicos han estudiado el desarrollo de las alas en las moscas de la fruta (nombre científico: Drosophila melanogaster) durante muchos años y han identificado muchos genes importantes para crear compartimentos y patrones. Debido a que el desarrollo de las alas en las moscas de la fruta y las mariposas es muy similar, las etapas iniciales del desarrollo de las alas, como la creación de compartimentos en las alas de las mariposas, se han llegado a comprender bastante bien a través del estudio de las moscas de la fruta. Sin embargo, las mariposas son diferentes de las moscas en que las mariposas tienen patrones de alas intrincados y coloridos. Los investigadores han tenido bastante éxito en la identificación de numerosos genes que crean estos patrones. Por ejemplo, se han identificado muchos genes involucrados en el desarrollo de patrones que parecen ojos, llamados patrones de manchas oculares. En las especies de mariposas Bicyclus anynana, genes llamados spalt y menos distal se expresan en los centros de las manchas oculares, y spalt también se expresa en el anillo negro. Otro gen llamado grabado / inventado se expresa en el anillo de oro circundante (Figura 1B) [2].

Entonces, con base en estos estudios y la similitud en el desarrollo entre las alas de las moscas y las de las mariposas, planteamos la hipótesis de que un gen llamado aptero A podría ser responsable de crear diferentes patrones de alas dorsales y ventrales en las mariposas. Seleccionamos este gen porque, en las alas de moscas y mariposas, se expresa solo en la superficie dorsal y está ausente en la superficie ventral [3, 4]. Usamos la mariposa B. anynana para probar esta hipótesis. Para demostrar que este gen es responsable de crear diferentes patrones específicos de superficie en las mariposas, necesitábamos eliminarlo y observar los patrones de las alas en las mariposas que no tenían este gen. Si aptera A es realmente responsable de crear un patrón dorsal que es diferente del patrón ventral, entonces cuando se elimina, el patrón dorsal debe volverse similar al patrón ventral. Para eliminar el gen aptero A, utilizamos una nueva técnica llamada CRISPR-Cas9 .


El ADN desencadena el cambio de forma en los hidrogeles, lo que abre una nueva forma de hacer "robots blandos"

Los ingenieros bioquímicos de la Universidad Johns Hopkins han utilizado secuencias de moléculas de ADN para inducir el cambio de forma en geles a base de agua, demostrando una nueva táctica para producir robots blandos y dispositivos médicos "inteligentes" que no dependen de cables, baterías o ataduras engorrosas.

El avance de la investigación, supervisado por tres miembros de la facultad de la Facultad de Ingeniería Whiting de la universidad, se detalla en la edición del 15 de septiembre de 2017 de la revista. Ciencias.

Los miembros del equipo informaron que su proceso utilizó secuencias de ADN específicas llamadas "horquillas" para hacer que una muestra de hidrogel de un centímetro de tamaño se hinchara a 100 veces su volumen original. Luego, la reacción se detuvo mediante una secuencia de ADN diferente, denominada “horquilla de terminación”.

Este enfoque podría hacer posible tejer piezas móviles en materiales blandos. Los investigadores han sugerido que su proceso algún día podría desempeñar un papel en la creación de materiales inteligentes, dispositivos metamórficos, actuadores programados complejos y robots autónomos con posibles aplicaciones marinas y médicas.

Los miembros de la facultad de ingeniería de Johns Hopkins, de izquierda a derecha, David Gracias, Thao (Vicky) Nguyen y Rebecca Schulman, se unieron a sus estudiantes y utilizaron secuencias de ADN para desencadenar cambios de forma significativos en una muestra de hidrogel. Foto de Will Kirk / Universidad Johns Hopkins.

Para controlar cómo se produce el cambio de forma en diferentes partes del hidrogel objetivo, los investigadores siguieron el ejemplo de la industria informática. Emplearon una técnica de modelado de fotografías similar a la que se usa para hacer microchips diminutos pero intrincados. Se diseñaron varios patrones bioquímicos incrustados en diferentes regiones del gel para responder a instrucciones específicas de ADN para causar flexión, plegamiento u otras respuestas.

"Las secuencias de ADN pueden considerarse análogas al código de computadora", dijo David H. Gracias, profesor del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la universidad, y uno de los dos autores principales de la Ciencias artículo. "Así como el software de computadora puede dirigir tareas específicas, las secuencias de ADN pueden hacer que un material se doble o expanda de cierta manera en un sitio específico".

Añadió que esto no es un hecho inusual en la naturaleza. “El cambio de forma es muy importante en biología”, dijo Gracias. "Piense en cómo una oruga se convierte en mariposa".

La otra autora principal del estudio, Rebecca Schulman, es profesora asistente en el mismo departamento. Su grupo de investigación diseña materiales y dispositivos inteligentes utilizando técnicas de la nanotecnología del ADN. "Nos ha fascinado cómo las células vivas pueden utilizar señales químicas para decidir cómo crecer o moverse y utilizar la energía química para alimentarse", dijo. “Queríamos construir máquinas que pudieran actuar de manera similar. Nuestra tecnología de fabricación hace posible diseñar dispositivos muy complicados en una variedad de tamaños ".

Thao (Vicky) Nguyen, experta de Johns Hopkins en la mecánica de polímeros y biomateriales, realizó contribuciones clave a la investigación y fue coautora del artículo. “Usando simulaciones por computadora, desarrollamos una regla de diseño para transformar la gran hinchazón del hidrogel en la respuesta de cambio de forma deseada”, dijo. Nguyen es profesor asociado y académico de la facultad Marlin U. Zimmerman Jr. en el Departamento de Ingeniería Mecánica ".

Los investigadores de la facultad de Johns Hopkins, David Gracias y Rebecca Schulman, a la izquierda y a la derecha, están basados ​​en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular. Thao (Vicky Nguyen) es del Departamento de Ingeniería Mecánica. Fotos de Will Kirk / Johns Hopkins University.

Para confirmar su capacidad para controlar qué objetivos de hidrogel se activaban, los miembros del equipo utilizaron hidrogeles en forma de flor que respondían a la secuencia de ADN. En cada "flor", se fabricaron dos conjuntos de pétalos, y cada conjunto se diseñó para responder solo a una de dos secuencias de ADN diferentes. Cuando se expuso a ambas secuencias, todos los pétalos se plegaron en respuesta. Pero cuando fueron expuestos a solo una de las secuencias, solo los pétalos que coincidían con esa secuencia se plegaron.

El equipo también fabricó dispositivos de hidrogel en forma de cangrejo en los que las antenas, garras y patas se curvaron en respuesta a su secuencia de ADN coincidente. Los dispositivos de cangrejo permanecieron en su estado activado durante al menos 60 días. La forma de cangrejo se seleccionó en honor a los populares mariscos que se sirven en el estado natal de la universidad, Maryland.

La nueva tecnología detallada en el Ciencias el papel está protegido por una patente provisional obtenida a través de la oficina de Johns Hopkins Tech Ventures de la universidad.

Los autores principales del artículo fueron los estudiantes de doctorado Angelo Cangialosi y ChangKyu Yoon. Los coautores incluyeron a los estudiantes de posgrado Jiayu Liu, Qi Huang y Jingkai Guo. El financiamiento para el proyecto provino del premio W911NF-15-1-0490 de la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. Y del premio 221874 del Departamento de Energía de EE. UU.

Imágenes en color y un breve videoclip disponible contacto Phil Sneiderman.

Los comunicados de prensa de la Universidad Johns Hopkins están disponibles en línea, al igual que la información para los periodistas. Para concertar una entrevista en video o audio con un experto de Johns Hopkins, comuníquese con un representante de medios mencionado anteriormente o visite la página web de nuestro estudio. Encuentre más historias de Johns Hopkins en el Hub.


Discusión

El uso de secuencias cortas de ADNmt en estudios taxonómicos, incluido el "código de barras de ADN" (Hebert et al., 2003), se ha aplicado principalmente a especies conocidas, pero más allá de herramientas novedosas para la identificación (y evidencia ocasional de especies crípticas Hebert et al., 2004a, 2004b Meyer y Paulay, 2005), esto no afecta directamente al estado taxonómico de los grupos (Moritz y Cicero, 2004). Aquí utilizamos análisis cuantitativos de datos de secuencia para delimitar especies putativas, por lo que la información de secuencia en sí proporciona un marco para la taxonomía alfa. La delimitación de especies se basó en dos enfoques principales, incluidos los procedimientos establecidos basados ​​en caracteres de diagnóstico (Sites y Marshall, 2003) y un procedimiento novedoso basado en la detección del cambio en la tasa de ramificación del linaje. Otros estudios han observado cambios similares en las tasas de ramificación como firmas del límite de la especie (por ejemplo, Acinas et al., 2004 Barraclough et al., 2003 Cardoso y Vogler, 2005 Hebert y Gregory, 2005 Hugall et al., 2002 Monaghan et al. , 2005 Wiens y Penkrot, 2002). Sin embargo, hasta donde sabemos, no ha habido intentos previos de utilizar esta información en un procedimiento cuantitativo de delimitación de especies, a pesar del desarrollo de métodos para agrupar secuencias (Blaxter, 2004) y compararlas con grupos taxonómicos predefinidos (Steinke et al., 2005 Matz y Nielsen, 2005).

El análisis de la longitud de las ramas se basa en un modelo probabilístico que separa la diversificación de especies (filogenia) de los procesos coalescentes (genealogía dentro de las especies). En este sentido, el cambio en la tasa de ramificación corresponde al límite elusivo entre los reinos filogenético y tokogenético de Hennig (1966), lo que indica relaciones divergentes y reticuladas. Nuestro objetivo era producir un método capaz de ajustar los enfoques de la filogenética y la genética de poblaciones, como las dos disciplinas principales que operan por encima y por debajo de este límite (Brower et al., 1996). En su implementación actual, el enfoque se basa en supuestos simples como un modelo de tasa de especiación constante o coalescencia neutra, aunque estos se relajan un poco al incorporar el parámetro de escala. El procedimiento tiene tasas aceptables de falsos positivos cuando se aplica a datos simulados asumiendo que no hay transición en las tasas de ramificación y una potencia razonable para los datos simulados asumiendo especies distintas (Barraclough, no publicado). El enfoque podría modificarse para especificar modelos detallados de procesos de especiación, extinción y población, y luego elegir entre modelos en competencia, pero debido a la desconcertante variedad de escenarios posibles (Barraclough y Nee, 2001 Charlesworth et al., 2003), esto no se exploró más aquí.

El análisis de la longitud de las ramas resuelve dos problemas principales de los métodos existentes para la delimitación cuantitativa de especies. En primer lugar, el enfoque tiene en cuenta la incertidumbre de los límites de las especies al permitir intervalos de confianza al asignar los nodos que definen las especies, una propiedad deseable donde los límites de las especies están poco desarrollados (Hey et al., 2003). Los métodos de agregación de poblaciones no permiten la incertidumbre, sino que optimizan los límites de especies en función de un criterio fijo. Otros enfoques recientes basados ​​en poblaciones tienen en cuenta la incertidumbre (por ejemplo, Matz y Nielsen, 2005) pero aún no se han aplicado a la delimitación de especies per se en lugar de a la identificación de secuencias desconocidas. En segundo lugar, los métodos basados ​​en la longitud de las ramas no requieren que las poblaciones se definan a priori antes de ser sometidas a pruebas de agregación (Davis y Nixon, 1992 Mayden, 1997). Las definiciones de unidades de población siguen siendo problemáticas, ya que con frecuencia carecen de límites espaciales o genéticos fácilmente discernibles (Schaefer, 2006), por ejemplo, cuando los rangos de distribución no están suficientemente estudiados o cuando se encuentran formas morfológicamente crípticas en la misma localidad geográfica. Para nuestro estudio de Rivacindela asumimos de manera simplista que los individuos recolectados en diferentes sitios eran miembros de poblaciones separadas, mientras que todos los individuos de un solo sitio se consideraban una población uniforme, a menos que fueran evidentes las diferencias morfológicas. Dado que los análisis de agregación de poblaciones se basan en definiciones a priori de poblaciones, este tipo de tratamiento informal podría introducir un factor importante de incertidumbre en la delimitación de especies. El enfoque basado en ramificaciones es independiente del reconocimiento de los límites de población. Además, el enfoque permite la inclusión de especies raras representadas por un solo individuo, lo que es problemático en los conceptos de especies basados ​​en la población.

El tiempo necesario para obtener las firmas utilizadas para el reconocimiento de especies difiere entre estos métodos. Por ejemplo, CHA y PAA se basan en la predicción de que las diferencias de nucleótidos fijos son poco probables entre muestras aleatorias de una sola población, pero se espera que se acumulen entre poblaciones aisladas. En un modelo neutral de mutación y deriva genética, para un marcador mitocondrial, el tiempo esperado hasta la primera diferencia fija y, por lo tanto, la capacidad de estos métodos para detectar especies aisladas es inferior a 0,5. Nordeste generaciones después de que las poblaciones fueran aisladas (Hey, 1991). El método WP se basa en la suposición de que una población aislada eventualmente se volverá monofilética con respecto a su población ancestral o hermana. Según las simulaciones de la probabilidad de observar monofilia recíproca, se espera que esto ocurra alrededor de 0,7 Nordeste generaciones, es decir, existe un 50% de probabilidad de que un locus determinado sea monofilético en ese momento (Tabla 1 en Hudson y Coyne, 2002). El análisis de la longitud de las ramas propuesto aquí requiere además que los grupos monofiléticos sean reconocibles en las ramas del tallo más largas, que se espera que ocurran alrededor Nordeste generaciones después de la separación del linaje (Hudson y Coyne, 2002). Para que el 95% de un locus determinado muestre una firma determinada, el intervalo de tiempo necesario será mayor en cada caso, por ejemplo, más de 2nortemi generaciones, para que surjan cambios en la tasa de ramificación. El método final que usamos, basado en el coeficiente de consanguinidad, detecta una subdivisión genética significativa entre poblaciones a partir de pares FS t estimaciones, lo que no conlleva diferencias fijas ni monofilia. Por lo tanto, este método podría detectar rupturas más recientes en el flujo de genes que los otros, pero existe el riesgo de que las poblaciones con flujo de genes parcial se reconozcan como entidades separadas: constituye un límite superior extremo para el número de especies en los análisis basados ​​en poblaciones.

Si estos métodos realmente producen estimaciones diferentes del número de grupos dependerá de la separación relativa de las especies frente a los tiempos de coalescencia dentro de las especies. Si muchas especies relacionadas divergieron más recientemente que los tiempos de coalescencia más antiguos de los alelos que contienen, los métodos subestimarán el número de especies, delimitando complejos de especies en lugar de especies individuales. Esto afectará a los métodos que se basan en la longitud de las ramas con más fuerza que los métodos basados ​​en estados de carácter fijo de diagnóstico que tienen una mayor probabilidad de identificar especies recientemente divergentes o crípticas porque se espera que sean aparentes antes de la divergencia (Goldstein y Desalle, 2003). Sin embargo, en el presente caso se obtuvieron estimaciones muy similares del número de especies y los límites de especies con cualquiera de los métodos, lo que demuestra la solidez de los datos para diferentes enfoques cuantitativos de delimitación de especies. Las diferencias que sí ocurrieron reflejan los efectos opuestos de la divergencia críptica dentro de la población detectada por el análisis de las tasas de ramificación por un lado, y el reconocimiento de divergencias más recientes por métodos basados ​​en la población por el otro. Además, el análisis de las tasas de ramificación realizado en linajes monofiléticos no reconocerá especies parafiléticas, al tiempo que se basa en la reconstrucción correcta del árbol. Podría decirse que la mejor asignación final sería integrar enfoques de longitud de rama y el método PAA (ya que no se basa en la topología y, por lo tanto, en un árbol "correcto") y reconocer 54 especies putativas.

Ninguno de los enfoques reconocería variantes ecológicas derivadas recientemente. Por ejemplo, R. eburneola es una especie no voladora del lago Gilmore, que no fue separada por ninguno de los métodos de ADN a diferencia de la coexistente, pero que volaba y era morfológica y ecológicamente distinta R. nr. Blackburni. Este formulario debe agregarse claramente al recuento de Rivacindela especies. Por tanto, el ejemplo demostró que los métodos basados ​​en mtDNA pueden ser conservadores en comparación con las técnicas morfológicas clásicas de diferenciación de especies, contrariamente a las preocupaciones generalizadas (véase Agapow et al., 2004). Además, las especies delimitadas por ADN fueron generalmente congruentes cuando se compararon con la asignación de especies basada en la morfología en aquellos casos en los que se habían asignado nombres a los especímenes en las identificaciones preliminares (Tabla S1), lo que disipa las preocupaciones de que las taxonomías basadas en el ADN provocan una división excesiva de la existente. variación.

A pesar de que R. eburneola Fue el único caso obvio en el que las diferencias morfológicas importantes no coincidieron con los grupos definidos de ADNmt, se observó una variación menor en la identificación morfológica informal durante el trabajo de campo que también discrepó con el ADN (Tabla S1). Esto plantea la posibilidad de historias de especies y genes incongruentes, en particular a la luz de la alta propensión informada al flujo de genes de mtDNA entre grupos separados de otro modo (Funk y Omland, 2003 Hudson y Coyne, 2002 Seberg et al., 2003 Will y Rubinoff, 2004). Sin más análisis morfológico o secuenciación de los loci nucleares, la magnitud de este problema en Rivacindela es difícil de evaluar. Sin embargo, la alta fidelidad de la distribución geográfica de los grupos basados ​​en el ADN y las cuencas fluviales antiguas (Fig. 6) proporciona una clara evidencia en contra de la dispersión del ADNmt, en particular durante los ∼ 700 Ky pasados, ya que la mayoría de estas especies se separaron. En todas las especies de Australia occidental, observamos solo dos casos de grupos distintos bien muestreados en el análisis de la longitud de las ramas (individuos del sitio GY en el clado 30, e individuos del sitio DE en el clado 28, siendo los individuos DE un grupo diagnosticable en el PAA) donde una o más secuencias estaban incluidas en una población "extranjera", es decir, en una cuenca fluvial diferente a todas las demás secuencias dentro del grupo. Por lo tanto, en Rivacindela la amplia congruencia de la distribución del mtDNA con las características del paisaje biogeográfico es evidencia de su relevancia biológica.

El patrón geográfico indica fuertemente la especiación vicariante como la causa de las distribuciones del rango, con dispersión ocasional entre sistemas de drenaje, consistente con la historia paleoclimática de la región. Lagos salados efímeros del interior de Australia formados por la fragmentación de las cuencas de paleo-drenaje que existían antes de la aridificación del continente a partir del Mioceno (van de Graaff et al., 1977). Las antiguas cuencas propuestas se mantuvieron bien conservadas debido a la estabilidad tectónica y la lenta erosión y sedimentación en el área (van de Graaff et al., 1977). La fecha de la transición de especie a población (Fig.4) coincide estrechamente con los cambios de arcillas lacustres a evaporitas y sedimentos de dunas que se estima que ocurrieron entre 400 y 700 Kya en un cambio final a la aridez actual en los climas regionales ( Pillans y Bourman, 2001). Esto indicaría que la formación de especies en Rivacindela was a direct result of the fragmentation of their habitat near edges of the disappearing river systems.


A new way to create 'soft robots'—DNA triggers that cause hydrogels to change shape

Image caption: Inside the lab with David Gracias, Vicky Nguyen, and Rebecca Schulman

Credit: Will Kirk / Johns Hopkins University

Biochemical engineers at Johns Hopkins University used sequences of DNA molecules to cause water-based gels to change shape, demonstrating a new tactic to produce soft robots and "smart" medical devices that don't rely on cumbersome wires, batteries, or tethers.

The research, supervised by three faculty members in the university's Whiting School of Engineering, is detailed online today in the journal Ciencias.

Image caption: The team members reported that their process used specific DNA sequences called "hairpins" to cause a centimeter-sized hydrogel sample to swell to 100 times its original volume. The reaction was then halted by a different DNA sequence, dubbed a "terminator hairpin." This approach could make it possible to weave moving parts into soft materials, which, the researchers said, could someday play a role in creating smart materials, metamorphic devices, complex programmed actuators, and autonomous robots with potential marine and medical applications. To control how shape-shifting occurs in different parts of the target hydrogel, the researchers took a cue from the computer industry. They employed a photo-patterning technique similar to the one used to make tiny but intricate microchips. Various biochemical patterns embedded in different regions of the gel were designed to respond to specific DNA instructions to cause bending, folding, or other responses. "DNA sequences can be thought of as an analog to computer code," said David Gracias, a professor in the university's Department of Chemical and Biomolecular Engineering, and one of two senior authors of the Ciencias article. "Just as computer software can direct specific tasks, DNA sequences can cause a material to bend or expand in a certain way at a specific site." [img size="medium" align="left"]

This is not an unusual occurrence in nature, he added.

"Shape changing is very important in biology," Gracias said. "Think about how a caterpillar turns into butterfly."

To confirm their ability to control which hydrogel targets were activated, team members used DNA sequence-responsive flower-shaped hydrogels. In each "flower," two sets of petals were fabricated, and each set was designed to respond only to one of two different DNA sequences. When exposed to both sequences, all of the petals folded in response. But when they were exposed to just one of the sequences, only the petals matched to that sequence folded.

The team also fabricated hydrogel crab-shaped devices in which the antennae, claws, and legs each curled up in in response to their matching DNA sequence. The crab devices—a shape selected in honor of the popular seafood for which Maryland is known—remained in their actuated state for at least 60 days.

"We've been fascinated by how living cells can use chemical signals to decide how to grow or move and use chemical energy to power themselves," said Rebecca Schulman, the study's other senior author and an assistant professor of chemical and biomolecular engineering. "We wanted to build machines that could act in a similar way. Our fabrication technology makes it possible to design very complicated devices in a range of sizes."

Vicky Nguyen, a Johns Hopkins expert in the mechanics of polymers and biomaterials and an associate professor in the Department of Mechanical Engineering, provided key contributions to the research and was a co-author of the paper.


Caterpillar color patterns are determined by a two-phase melanin gene prepatterning process: new evidence from tan y laccase2

RESUMEN The larval color patterns in Lepidoptera exhibit splendid diversity, and identifying the genes responsible for pigment distribution is essential to understanding color-pattern evolution. The swallowtail butterfly, Papilio xuthus, is a good candidate for analyzing marking-associated genes because its body markings change dramatically at the final molt. Moreover, the silkworm Bombyx mori is most suitable for identification of lab-generated color mutants because genome information and many color mutants are available. Here, we analyzed the expression pattern of 10 melanin-related genes in P. xuthus, and analyzed whether these genes were responsible for Bombyx larval color mutants. We found that seven genes correlated strongly with the stage-specific larval cuticular markings of P. xuthus, suggesting that, compared with Drosophila, more genes showed marking specificity in lepidopteran larvae. We newly found that the expression of both tan y laccase2 is strongly correlated with the larval black markings in both P. xuthus y B. mori. The results of F2 linkage analysis and mutant analysis strongly suggest that tan is the responsible gene for Bombyx larval color mutant rouge, y eso tan is important in emphasizing black markings of lepidopteran larvae. Detailed comparison of temporal and spatial expression patterns showed that larval cuticular markings were regulated at two different phases. Marking-specific expression of oxidizing enzymes preceded the marking-specific expression of melanin synthesis enzymes at mRNA level, which is the reverse of the melanin synthesis step.

Figura S1. Neighbour joining tree of Tan, Laccase2, Black, Purple, and related genes based on their amino acid sequences. The numbers at the tree nodes represent the bootstrap values. The scale bars indicate the evolutionary distance between the groups. Boxes indicate the P. xuthus orthologs. The sequences used to create the diagram were listed in supporting information Table S1.

Figura S2. (A) RT-PCR analyses for marking specificity of ten melanin related genes in epidermis during the 4th molt in P. xuthus. Epidermis was separated four parts as indicated above. T: thoracic segments with no marking, E: eyespot, A: abdominal segments with no marking, V: V-shaped markings. Numbers indicate hours after HCS. (B) Spatial expression of negro, púrpura, y PAH mRNA in P. xuthus larva during 4th and 3rd molts. The pigmentation patterns of each region of the fifth or fourth instar are shown left. Numbers in each panel indicate hours after HCS. Scale bars: 1 mm.

Fig. S3. Alignment of tan cDNA sequences between p50T and ro son. Conserved nucleotides are highlighted in black. Primer positions are indicated by red arrows. The position of each exon is also described.

Fig. S4. RT-PCR and genome PCR of tan gene in wild type and ro/ro mutante. The DNA-size marker is shown to the left. Primer positions are indicated by arrows (see also supporting information Fig. S3). Asterisks: non-specific bands. Primer sets to the cDNA of the tan gene are shown in supporting information Fig. S3. We designed primer sets (GS2: 5′-CTGACTACCTCTCTGAAGTGTTC-3′, GAS3: 5′-TCTGTATAGTCCTACAGCAACGC-3′, and GAS7: 5′-AGTTTAGTAGACAGAACTTACCACA-3′) to the genome DNA of the tan gene (primer positions are indicated by arrows below).

Fig. S5. Alignment of Tan orthologs between B. mori, P. xuthus, y D. melanogaster. Conserved residues are highlighted and functionally or structurally similar residues are shadowed. Green arrow indicates the protein region disrupted in ro mutant, and red bracket indicates the conserved auto-processing site at which pro-IAT is cleaved between glycine and cysteine. The position of each exon is also described.

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Discusión

This study generated a DNA barcode reference library for 96% of the North American butterfly fauna (814 of 846 species) with an average of 18 records per species. This level of sampling captured 67% of the estimated haplotype diversity, but at least 4,705 haplotypes await detection. The present library was effective in assigning newly encountered specimens to either a species or to a small number of closely allied species. Because butterflies are key bioindicators (Syaripuddin, Sing & Wilson, 2015) and umbrella species (New, 1997), this library facilitates their use in tracking the impacts of habitat loss, fragmentation, and climate change. Along with the reference barcodes available for other taxonomic groups (Ratnasingham & Hebert, 2007), the present work also provides a basis for exploring species interactions.

Above LGM and alpine/subalpine Across LGM Below LGM Total
Papilionidae 2/7 (28.6%) 3/11 (27.3%) 2/13 (15.4%) 7/31 (22.6%)
Pieridae 16/18 (88.9%) 8/15 (53.3%) 1/33 (3%) 25/66 (37.9%)
Hesperiidae 3/11 (27.3%) 10/62 (16.1%) 8/132 (6.1%) 21/205 (10.2%)
Lycaenidae 9/15 (60%) 14/54 (25.9%) 15/68 (22.1%) 38/137 (27.7%)
Riodinidae 0 1/3 (33.3%) 1/15 (6.7%) 2/18 (11.1%)
Nymphalidae 8/39 (20.5%) 19/70 (27.1%) 3/64 (4.7%) 30/173 (17.3%)
Total 38/90 (42.2%) 55/215 (24.9%) 30/325 (9.2%) 123/630 (19.5%)

The sequence records analyzed in this study were mainly obtained during two ways. The first approach involved the collection of fresh material and lasted about two decades (2000–2019), while the latter spanned three years (2015–2017) and consisted of the targeted analysis of specimens held in two major natural history collections—the Smithsonian’s National Museum of Natural History and the Canadian National Collection. Previous studies on Lepidoptera, largely regional in scale, indicated that most species are separated from their nearest neighbor by a barcode gap (e.g., Janzen et al., 2005 Hajibabaei et al., 2006 Lavinia et al., 2017). Increased geographical coverage should lead to higher intraspecific genetic variation as a result of the isolation-by-distance effect (Wright, 1943), and reduced interspecific divergences as more species are analyzed (Avise, 2000). Both factors should reduce the difference between intra- and inter-specific divergence. It needs emphasis that exceptions to this model were observed in butterflies and that narrow suture zones with high diversity alternate with extended regions with little variation (e.g., Gompert et al., 2010 Dapporto et al., 2019 Platania et al., 2020). This continental-scale study revealed that average maximum CO1 divergences within species was nearly four times less than the average minimum distance to the nearest neighbor. Reflecting this fact, 76% of the species displayed a barcode gap ensuring their unambiguous identification. Identification of specimens using the criterion of monophyly raised identification success as 80% of North American butterfly species formed a monophyletic cluster. These results approximate those obtained in a study of European butterflies where monophyly was met for 94% of species at a regional level (Iberia) (χ2 = 23.1 pag-value <0.001) versus 85% for the continent (Dincă et al., 2015) (χ2 = 2.71 pag-value = 0.099). As the European study only considered approximately 60% of the fauna, the proportion of monophyletic species is likely to decline with increased coverage. In a study examining how increased geographic scale affected the barcode gap in Asian butterflies, Lukhtanov et al. (2009) found that the barcode gap decreased with distance, but that species resolution was nearly unaltered. Interestingly, they showed that monophyly, unlike the barcode gap, was less affected by geographic coverage. The evidence for reduced identification success in the present study is likely explained, at least in part, by the 5-fold higher sampling effort (18 specimens/species) than in Lukhtanov et al. (2009) (3 specimens/species). Although the presence of a barcode gap or monophyly are sufficient conditions to ensure the correct assignment of a sequence to its correct species, these are not essential criteria. For example, a species whose component sequences are paraphyletic or polyphyletic can meet neither criteria, but can be perfectly diagnosable (Ross, Murugan & Li, 2008 Bergsten et al., 2012).

Because the capacity of DNA barcoding (Ratnasingham & Hebert, 2007) to deliver a correct identification ultimately depends upon the presence of diagnostic (or a diagnostic combination of) characters, sequence sharing by species indicates that their discrimination will be compromised. This study revealed that 15% of North American butterfly species share their DNA barcodes with another species. Work on European butterflies revealed 3% barcode sharing at a regional level (Iberia), and 7% at a continental scale (Dincă et al., 2015). Although the latter value is about half that observed for North America (χ2 = 12.6 pag-value <0.001), it was inferred based on 60% of the European fauna and more comprehensive taxonomic and geographic coverage will almost certainly increase the incidence of barcode sharing for European butterflies. Because the level of barcode sharing does not only depends on geographic coverage, it is important to ascertain the factors underlying this pattern. First, both the incomplete sorting of ancestral polymorphisms and introgression can lead to barcode sharing, particularly between recently diverged species. The former factor should be less important for mitochondrial than nuclear genes because their lower effective population size facilitates the loss of ancestral polymorphisms. The impact of introgression is more controversial. Although Haldane’s rule predicts that the heterogametic sex (females in Lepidoptera) of hybrid individuals is not likely to pass on mitochondrial DNA (Haldane, 1922), introgression has often been reported in butterflies (e.g., Sperling, 1993 Gompert et al., 2006 Wahlberg et al., 2009). This could be explained by a more general hypothesis, broadly applicable to all organisms, suggesting that low purifying selection on introgressed mitochondrial genes favours the transfer of these elements (over nuclear ones) across species boundaries ( Harrison, 1993). Another feature that facilitates contact between closely related lineages, increasing the likelihood for introgression, is the high dispersal capability of some butterflies (Stevens, Turlure & Baguette, 2010). Second, although butterflies possess a relatively well-established taxonomy, recent studies have exposed taxonomic uncertainty including cases of over-split species (e.g., Vila et al., 2010). Such unrecognized cases of synonymy can produce barcode sharing. Third, although the specimens examined in this study were identified by specialists, DNA barcode results revealed a number of misidentifications. In other cases, the discrimination of morphologically similar species is so difficult that diagnostic characters might have been misinterpreted inflating the incidence of barcode sharing. A full investigation of the roles played by these three factors is beyond the scope of this study, however, an exhaustive study of 42,000 specimens representing nearly 5,000 species of European Lepidoptera showed that just 40% of non-monophyletic species were generated by biological factors (i.e., introgression, incomplete lineage sorting) while 60% reflected methodological problems such as misidentifications (Mutanen et al., 2016).

The incidence of barcode sharing in North American butterflies varies nearly 5-fold with latitude, being far higher among species found in the North/alpine (42%) than at Mid-latitude (25%) or South (9%) locales. A similar pattern was evident for 1541 North American noctuoid moth species as the Canadian fauna showed 10% barcode sharing (Zahiri et al., 2014), versus 7% for the continent (Zahiri et al., 2017).

Although the main scope of this work was to build a comprehensive barcode library for the identification of North American butterflies, effort was made to capture diversity from regions where contact zones, hybrid zones, and phylogeographic breaks congregate (Swenson & Howard, 2005). This strategy aimed to maximize the recovery of haplotype diversity, yet ascertainment bias is inevitable and likely impacted both geography (Yang, Ma & Kreft, 2013) and taxonomy (Troudet et al., 2017). While under-sampling can exaggerate the sequence divergence between species, comprehensive knowledge of intraspecific diversity will decrease interspecific distances and expose barcode sharing (e.g., Wiemers & Fiedler, 2007 Dasmahapatra et al., 2010). Our sample sizes were similar (40 specimens/species) for two regions (North/alpine, Mid-latitude), but lower in the South (16 specimens/species). However, iNEXT indicated that similar proportions of CO1 diversity were recovered from each bioregion (66%—North/alpine, 64%—Mid-latitude, 71%—South). Although iNEXT brings statistical rigor to such estimates, its accuracy closely depends on sampling quality. For instance, under-sampling biodiversity hotspots would give the illusion of low diversity and inflate estimates of sampling completeness. This result suggests that the observed differences in barcode sharing are not an artefact of varied sampling coverage. This pattern could well reflect the different exposure of species in each bioregion to the impacts of Quaternary glaciation (Hewitt, 1996). Species in northern regions could have experienced recurrent cycles of isolation in glacial refugia, leading to subsequent opportunities for secondary contact and mitochondrial exchange (Hewitt, 2000). Moreover, the small size of the populations at the leading edge of the species distribution might aid the fixation of introgressed mitochondria (Kingman, 1982). Another consequence of rapid expansion into deglaciated habitats would be low density at the leading edge. This situation can create difficulties in finding a conspecific mate and can weaken isolating mechanisms (e.g., Shelly & Bailey, 1992 Alatalo et al., 1998 Willis, Ryan & Rosenthal, 2011), leading to heterospecific mating and introgression (e.g., Wirtz, 1999 Randler, 2002). Not only scarcity of conspecifics could favor hybrid formation, but it could also enhance their persistence because of decreased competition with parental populations (Arnold, 1997).

Aside from this latitudinal pattern, barcode sharing varied nearly 4-fold among butterfly families (χ2 = 25.13 pag-value <0.001), from 10% in Hesperiidae to 38% in Pieridae. Interestingly, a similar pattern was also observed at lower taxonomic rank, among genera, where the incidence of barcode sharing showed a weak and non-significant correlation with the number of species in a genus suggesting taxonomic localization. El genero Colias (Pieridae) was particularly impacted as all 22 species shared at least one of their barcode sequences with another species (Table S2), perhaps reflecting their recent radiation (Chew & Watt, 2006 Wheat & Watt, 2008). Not only this pattern explains the introgression of haplotypes between hybridizing species such as C. eurytheme/C. phildice in the eastern USA (Gerould, 1946 Jahner, Shapiro & Forister, 2011), and C. eurytheme/C. eriphyle in the west (Taylor Jr, 1972), but it also lays the foundation for operational issues such as misidentifications reflecting the unsettled taxonomy of the genus (Wheat & Watt, 2008).

DNA barcoding combined with species delimitation methods enables rapid, cost-effective surveys of biodiversity. While this is particularly beneficial for poorly-studied taxonomic groups, it can also disclose overlooked diversity in well-studied taxa. BIN analysis indicated that ∼11% of North American butterfly species (6.8% Splits, 4.6% Mixture) were split into two or more entities. The incidence of such cases mirrors values (9–12%) reported in prior studies on Lepidoptera (Huemer et al., 2014 Zahiri et al., 2014). GMYC analysis showed an even higher discordance with current taxonomy, showing that about 17% of species (7.8% Splits, 9.1% Mixture) potentially involve overlooked diversity. Interestingly, when the same approach was applied to 60% of European butterfly species, there was even higher discordance (28%) (Dincă et al., 2015). It is probable that the varied habitats in the Mediterranean basin (Blondel et al., 2010), coupled with the presence of southern refugia during the Pleistocene (Schmitt, 2007), created more genetic structure and/or speciation in Europe (Vodă et al., 2016 Dapporto et al., 2019 Scalercio et al., 2020). Employing a fixed divergence threshold (2.5%), about 10% of North American butterfly species exceeded this criterion. Similar values (8–12% with a 2% threshold) have been reported in other studies on Lepidoptera (Huemer et al., 2014 Zahiri et al., 2014). Based on these results, it is likely that a considerable number of cryptic species await description or that Evolutionary Significant Units (ESUs) within species deserve protection (Avise, 1989). Detailed studies (e.g., nuclear genetic, morphological, ecological) (DeSalle, Egan & Siddall, 2005) should be undertaken on these lineages (Polasky & Solow, 1999).


Material y métodos

Collecting Information and DNA Procedures

Specimens were sampled at the edges of temporal salt lakes and salt flats in the Provinces of Western Australia, South Australia, and the Northern Territory during two expeditions in 2001 and 2003. Several of these sites were surveyed for cicindelids for the first time, and collections produced many apparently undescribed species and variants ( Fig. 1). Specimens were placed directly into absolute ethanol after cursory identification in the field. Up to six individuals (more in a few cases) from each locality were sequenced, plus an additional set of up to six individuals if obvious morphologically different forms were recognized during field work at a given site or where individuals were obtained in different years or at multiple adjacent sites on the larger lakes (Supplementary Table S1 http://systematicbiology.org). This sampling regime was thought to be a good reflection of the total diversity encountered at the various collecting sites capturing species-level groups and their internal variation, given the absence of a thorough taxonomic treatment, while keeping the sequencing effort to a minimum. In total, 468 specimens assigned to 108 local sets of individuals (65 sites, plus morphologically distinct forms and samples from repeat visits of a site) were included in the analysis.

Map of 65 collecting sites. The distribution of four widespread species is shown as different symbols (species 1, light grey circles species 11, black triangles species 29, white boxes species 35, dark grey diamonds). Detailed collecting information is provided in Supplementary Table S1.

Map of 65 collecting sites. The distribution of four widespread species is shown as different symbols (species 1, light grey circles species 11, black triangles species 29, white boxes species 35, dark grey diamonds). Detailed collecting information is provided in Supplementary Table S1.

Nondestructive DNA extraction was performed using a Qiagen DNeasy kit. Whole specimens were soaked overnight in extraction buffer at 37°C, with small perforations made to the side of the abdomen and DNA extracted from the supernatant. Damage to specimens (some of them to be holotypes in future species descriptions) was minimal, and softness of specimens was maintained if transferred to 70% ethanol after the extraction. Vouchers will be maintained as pinned dry specimens in the W. D. Sumlin personal collection. Amplification of three mtDNA regions from the cytochrome oxidase subunit 1 (cox1), cytochrome B apoenzyme (mazorca), and 16S ribosomal RNA (rrnL) plus adjacent regions, was generally successful with well-established oligonucleotides ( Pons et al., 2004) but required newly designed cox1 y rrnL primers in some cases, the latter to avoid coamplification of a nuclear paralog ( Pons and Vogler, 2005). (The genetic nomenclature in this paper follows Boore, 2001). Primer combinations for each region are given in Supplementary Table S2. PCR fragments were sequenced in both directions on an ABI377 automated sequencer. The sequences reported in this paper have been deposited in GenBank under accession nos. AJ617921–AJ618351 (cox1), AJ618352–AJ618766 (mazorca), AJ619087–AJ619548 (rrnL). In addition, three species of Australian cicindelids established to be closely related to Rivacindela based on a wider survey of Cicindela sensu lato (unpublished) were used as outgroups (AJ831553–AJ831564). The data and tree files have been uploaded at Treebase under SN2798-10988.

Análisis de los datos

Statistical parsimony analysis was carried out with TCS version 1.3 software ( Clement et al., 2000) using only individuals with complete sequence information for all three genes. Where a separate lake sample did not include at least one specimen with complete sequence information (listed in parentheses in Table S1), these were assigned to the networks based on their phylogenetic position in standard parsimony analysis (below). Statistical parsimony analysis partitions the data into independent networks of haplotypes connected by changes that are non-homoplastic with a 95% probability ( Templeton, 2001). Intragroup and pairwise intergroup divergences were calculated with Mega version 2.1 (http://www.megasoftware.net) using p-distances. FS t y PAG values at 0.05 significance were calculated from pairwise differences in Arlequin 2.0 (http://lgb.unige.ch/arlequin).

Parsimony tree searches on the complete data set were conducted using PAUP*4.0b10 ( Swofford, 2002) with 40 independent runs and 200 ratchet iterations ( Nixon, 1999) each, with 15% of characters reweighted using the default settings of the PAUPRat script (http://www.ucalgary.ca/

dsikes/software2.htm). The preferred topology was selected among an initial set of parsimony trees, from which one was selected according to the Shimodaira-Hasegawa (SH) test under a GTR+I+Γ likelihood model and used as starting tree for an ML search in PAUP*4.0b10. The ML search was conducted on a desktop computer for 3 days testing a total of 18,622 rearrangements. Where nodes were consistent with the ML tree, bootstrap values were given based on parsimony analysis obtained by searching 100 pseudoreplicated data sets (generated using SEQBOOT in Phylip 3.57) using the ratchet. A strict consensus tree was created from these trees for each pseudoreplicate, and the 100 strict consensus trees each representing a bootstrap replicate were used to create a 50% majority rule consensus tree providing the support values. Relative ages of nodes were estimated using the r8s software ( Sanderson, 2002) by fitting branch lengths of an ML tree using penalized likelihood and a smoothing parameter of 10, chosen as optimal by cross-validation. Absolute ages were estimated setting the split of R. aurifodina (sample 204) and R. salicursoria (sample 208) to 3.2 Mya ( Pons et al., 2004). This was based on an estimate from a phylogeny of worldwide lineages of Cicindela sensu lato calibrated from biogegraphic evidence in North American lineages which included only these two species to represent Rivacindela ( Barraclough and Vogler, 2002). Sequence divergence between individuals of these species was 6.0% (SD 0.14%) and hence the estimate corresponds closely to the widely used insect mtDNA molecular clock calibration of 2.3% per My ( Brower, 1994). Lineage-through-time analyses were obtained as a semilogarithmic plot of the number of lineages against time since the first bifurcation ( Nee et al., 1992).

Species Delimitation

Different quantitative methods for species delimitation were applied, implemented by visual inspection of the variable nucleotide positions and trees derived from these. These procedures were conducted only within the independent networks defined in the statistical parsimony analysis, greatly reducing the complexity of scoring separated groups. Population profiles of character variation were established according to Sites and Marshall (2003) as the basis for PAA ( Davis and Nixon, 1992) and CHA ( Brower, 1999), the latter by assessing variable characters on the likelihood tree shown below. The WP method also used this tree to delimit “exclusive” populations, defined as the monophyly of geographically restricted genotypes to the exclusion of clades elsewhere. FS t values were used for aggregating samples with non-significant pairwise FS t, in analogy to the grouping of populations under PAA (Supplementary Fig. S1).

Analyses of mtDNA Branching Times

A statistical model was developed to test for the predicted change in branching rates at the species boundary. The overall aim of the procedure is to classify the observed branching time intervals defined by the nodes in a clock-constrained phylogram to either being the result of inter-specific (“diversification”) or intraspecific (“coalescent”) processes of lineage branching ( Fig. 2). A full description of the model and its performance on simulated trees will be provided elsewhere (Barraclough, unpublished).

Schematic illustration of the waiting times in a calibrated tree and the numbers of lineages present for each type of diversification process (interspecies diversification and within-species coalescence) during each waiting interval. Branches are categorized as either between species (thin lines) or within species branching (bold lines) according to the procedures described in Material and Methods.

Schematic illustration of the waiting times in a calibrated tree and the numbers of lineages present for each type of diversification process (interspecies diversification and within-species coalescence) during each waiting interval. Branches are categorized as either between species (thin lines) or within species branching (bold lines) according to the procedures described in Material and Methods.

This MYC model can be fitted to an ultrametric tree by maximizing the sum of the log-likelihoods of waiting times across the entire tree. A key step is fitting the location of the switches from speciation to coalescent nodes i.e., the most recent common ancestral node defining each species. The simplest approach is to assume that there is a threshold time, T, before which all nodes reflect diversification events and after which all nodes reflect coalescent events. Species in this model are thus delimited by the descendent nodes of branches crossing the threshold. T can be optimized to find the maximum likelihood solution and hence to estimate the number of species. Note that this approach does not assume that all species have the same age of their most recent common ancestor, which would not be the expected even under an equal population size model, but rather that the most recent diversification event occurred before the oldest within-species coalescent event. Approximate 95% confidence intervals for the parameters can be calculated by finding solutions with 2 log-likelihood units of the maximum ( Edwards, 1972).

To test whether there is significant evidence for the predicted transition in branching rates, the likelihood for the threshold model can be compared to that obtained assuming no threshold i.e., a single branching process for the entire tree (k = 0). Assuming initially that all species have the same effective population size, the threshold version of the MYC model introduces two additional parameters compared to the null model: an additional branching rate parameter, λ2, y T. A standard log-likelihood ratio test can be used to assess whether the alternative model provides a significantly better fit than the null model of no such shift in branching process: twice the difference in log-likelihood is expected to be chi-square distributed with 2 degrees of freedom ( Goldman, 1993). Failure to reject the null model could have several explanations. First, the clade might in fact represent a single species (unlikely in the present case). Second, the observed branching rate within species depends on the number of individuals sampled per species: small samples per species will weaken the power to detect the transition. Conversely, incomplete sampling at the species level would reduce the apparent branching rate in λ1. Third, some combinations of actual branching processes will also make it harder to detect the transition for example, a combination of fast speciation rate and large population sizes.

We call this the general mixed Yule coalescent (GMYC) model. los pagj represent scaling parameters that can be optimized during model fitting. Interpretation depends on which class of branching events are considered. The scaling parameter for the diversification process, pagk + 1, provides similar information to the gamma statistic of Pybus and Harvey (2000). pagk + 1 = 1 represents a constant speciation rate model with no extinction. pagk + 1 > 1 indicates an apparent increase in diversification rate towards the present, which might reflect, for example, a real increase in speciation rate or the effects of constant background extinction ( Barraclough and Nee, 2001 Nee, 1994). pagk + 1 < 1 represents an apparent decrease in diversification rate towards the present, which might reflect, for example, a real slow-down in speciation or the effects of incomplete sampling of species within the clade ( Nee et al., 1994b Pybus and Harvey, 2000). The scaling parameters for the coalescent processes within each species are interpreted differently. pagj = 1 represents a neutral coalescent model. pagj < 1 indicates a relative deficit of recent coalescent events, expected, for example, if populations were growing in size or experiencing balancing selection ( Nee et al., 1994). pagj > 1 indicates a relative excess of recent coalescent events, expected, for example, if all populations were declining in size, following a recent selective sweep affecting the marker or if there is further population structure within the species. Hence, optimizing across possible values of pag for both classes of branching events relaxes the assumptions of the method and can provide pointers for further analyses to explore possible causes for departure from the simplest model.

Code implementing the model in R using functions from the APE library is available from TGB. First, we visualized the waiting time data by plotting the log of the number of lineages through time ( Nee et al., 1992). A transition in branching rates should be visible as a sudden increase in slope of the plot towards the present. Second, we ran the threshold version of the GMYC model on the calibrated ultrametric tree of Rivacindela. Third, we compared the likelihood to that obtained assuming a single branching process for the tree. For the GMYC model, assuming all species have the same parameter values, the threshold model has five parameters (λ1, λ2, pag1, pag2, y T), whereas the null model has two (λ1 y pag1) hence, there are three degrees of freedom for the comparison.


For the first time ever, a team led by the University of Colorado Boulder has sequenced the internal bacterial makeup of the three major life stages of a butterfly species, a project that showed some surprising events occur during metamorphosis.

The team, led by CU-Boulder doctoral student Tobin Hammer, used powerful DNA sequencing methods to characterize bacterial communities inhabiting caterpillars, pupae and adults of Heliconius erato, commonly known as the red postman butterfly. The red postman is an abundant tropical butterfly found in Central and South America.

The results showed the internal bacterial diversity of the red postman was halved when it morphed from the caterpillar to the chrysalis, or pupal stage, then doubled after the pupae turned into active adult butterflies. The study is important because communities of bacteria inhabiting other insects have been shown to affect host nutrition, digestion, detoxification and defense from predators, parasites and pathogens, said Hammer of the ecology and evolutionary biology department.

“What we saw was that the microbial community simplified and reorganized itself during the transition from caterpillar to pupa,” he said. “Then we saw the diversity double after the adult butterflies had emerged and began going about their business of feeding. That was a little surprising to us.”

A paper on the subject was published online Jan. 23 in the journal MÁS UNO. Study co-authors on the paper included CU-Boulder Associate Professor Noah Fierer of the Ecology and Environmental Biology Department and W. Owen McMillan of the Smithsonian Tropical Research Institute in Panama City, Panama. The butterflies were collected at a field site in Gamboa, Panama, and data analysis was done at CU-Boulder.

The collection of microorganisms on a single animal, collectively known as the microbiome, has become important because such bacterial groups have been found to affect metabolic and developmental processes from food digestion and vitamin synthesis to possible brain function, say experts. While the average human is made up of about 1 trillion cells, scientists now estimate each of us has a staggering 10 trillion bacteria — essentially 10 bacteria for every human cell, Hammer said.

“Butterflies are ecologically and scientifically important, and their transformation from caterpillar to chrysalis to winged adult is one of the most remarkable phenomena of the natural world,” he said. “But almost nothing had previously been known about what kind of internal microbes they have and how they change over the butterfly life cycle.”

One reason to study the microbial makeup of caterpillars has to do with the potential damage caterpillars can do to crops, said Hammer, who is pursuing a doctorate at CU in ecology and environmental biology. “People are starting to think about the microbiome of insects as targets for pest control, including insecticides, so we need to know what specific bacteria they contain and how they work.”

Fierer, also a fellow at the Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences, or CIRES, said he looks at butterflies as “airborne microbial habitats.”

“The main question raised by this research is what these microbes are doing inside caterpillars and butterflies to influence their health and behavior,” Fierer said. “Now we know that the dramatic shift that occurs as caterpillars turn into active butterflies is matched by large changes in their microbial communities.”

The main motivation for choosing the red postman for study is that its genus is the only one that feeds on pollen, a rich source of amino acids, Hammer said. Most butterflies feed on nectar — essentially sugar water — leading to abbreviated lifespans lasting only days or weeks. But the red postman apparently has found a way to digest and then extract nutrients from pollen grains, likely expanding its lifespan by several months.

“This is a unique trait to this genus and could be mediated by its microbiome,” he said. Pollen feeding also appears to have led to co-evolution between Heliconius and their favorite flowers, which produce extra pollen and less nectar and appear throughout the year to match the butterfly’s unusually long lifespan.

Also, it appears that red postman caterpillars, which acquire nutrients from leaves they consume, are able to divert more resources toward making compounds that are toxic to some predators, Hammer said. Adult red postman butterflies are filled with the same compounds, which release cyanide when the butterfly is eaten.

Hammer collected the red postman butterflies just as one might expect — using a butterfly net. He reached his sites by riding his bicycle from the research station to promising areas of the surrounding rainforest. He said the butterflies, while fairly slow fliers, are marked with specific color patterns that advertise they are toxic to predators. “It’s what we call a ‘shared teaching’ process — some of the butterflies invariably get eaten before predators learn they are toxic,” he said.

Hammer likened the sequencing of the butterfly-associated bacterial DNA to barcoding, the process used to tag grocery store products. Using powerful gene sequencing techniques, the team collected bacterial DNA from the individual caterpillar, pupa and butterfly stages of the red postman, then used the barcoding method to identify the bacterial DNA sequences.

The study also indicated that wild and captive red postman butterflies had different microbiomes, likely due to different diets, he said. CU-Boulder and the National Science Foundation funded the study.


Ver el vídeo: Sabías que una oruga no se convierte en mariposa? Cuauhtémoc Méndez. TEDxZapopan (Mayo 2022).


Comentarios:

  1. Dion

    Sí, de hecho. Estoy de acuerdo con todo lo anterior.

  2. Maucage

    Tu idea simplemente excelente

  3. Warian

    si tienes talento :)

  4. George

    En su lugar, abordaría la ayuda a un moderador.

  5. Irvine

    Comprensiblemente, gracias por su ayuda en este asunto.

  6. Hugi

    Aquí tan la historia!

  7. Grosho

    No se acerca a mí.



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