Plusieurs variations différentes de papillon machaon montrant le mimétisme et le polymorphisme, ou différentes formes de la même espèce. Dans le centre, une femelle Papilio polytes qui n'imite pas une autre espèce. Crédit :Matt Wood, UChicago
Les papillons machaons femelles font quelque chose que beaucoup de papillons font pour survivre :ils imitent les motifs des ailes, formes et couleurs d'autres espèces toxiques pour les prédateurs. Certaines espèces de machaon, mais pas toutes, ont développé plusieurs formes différentes de ce trait. Mais quel genre de changements génétiques ont conduit à ces divers déguisements, et pourquoi certaines espèces conserveraient-elles une forme non dissimulée alors que le mimétisme offre un avantage évolutif évident ?
Dans une nouvelle étude publiée cette semaine dans Communication Nature , des scientifiques de l'Université de Chicago analysent les données génétiques d'un groupe d'espèces de machaons pour découvrir quand et comment le mimétisme a évolué pour la première fois, et ce qui a conduit ces changements depuis lors. C'est une histoire qui a commencé il y a environ deux millions d'années, mais au lieu d'être stable, changements progressifs, un changement génétique fortuite a aidé à créer les premiers imitateurs de machaon. Et il est resté depuis.
"Dans les papillons avec un motif de couleur, nous avons un gène dans une orientation normale sur le chromosome. Dans les papillons avec l'insolite, motif de couleur alternative, ce gène a été épissé, renversé, puis épissé dans le chromosome à un moment donné, " a déclaré Marcus Kronforst, Doctorat, professeur agrégé d'écologie et d'évolution à UChicago et auteur principal de l'étude.
"Ce flip, ou renversement, empêche les deux gènes de se recombiner si ces deux types différents de papillons s'accouplent, ils ont donc conservé les deux copies du gène au cours de l'évolution, depuis qu'ils se sont séparés de leur ancêtre commun il y a deux millions d'années, " a déclaré Kronforst.
Pendant longtemps, les scientifiques pensaient que le mimétisme des papillons était contrôlé par « des supergènes, " des groupes de plusieurs gènes étroitement liés qui ont toujours été hérités en tant que groupe. Dans une étude de 2014, Kronforst et ses collègues ont montré que ce qui semble être un supergène est en fait un gène unique appelé doublesexe qui contrôle les différents modèles de couleurs et formes que nous voyons chez les machaons femelles.
Le gène du double sexe était déjà bien connu pour son rôle dans la différenciation entre les sexes, mais chez les femelles l'inverti, ou retourné, la version dicte également des modèles d'aile. Il peut encore être considéré comme un supergène car il contrôle l'ensemble, processus complexe de modelage des ailes, mais dans ce cas, c'est juste le seul gène.
Plusieurs variations différentes de papillon machaon montrant le mimétisme et le polymorphisme, ou différentes formes de la même espèce. Rangée 1 :Une femelle et un mâle Papilio proténor , l'espèce qui est étroitement liée à Papilo polytes , le point focal de la nouvelle étude. Dans P. proténor , les mâles et les femelles se ressemblent et ils n'imitent pas. Ligne 2 : Papilio ambrax , une espèce où les mâles et les femelles sont différents et la femelle est un imitateur. Chez cette espèce, il n'y a pas de polymorphisme féminin. La nouvelle étude montre que son ancêtre évolutif était polymorphe, mais les femelles ont perdu ce train et n'affichent que la forme mimétique. Ligne 3 : Papilio polymorphe polytes, (L-R) Une forme femelle mimétique (l'une des 3 formes mimétiques de cette espèce), une femelle non mimétique, et le mâle. Rangée 4:Un machaon lointainement apparenté, Pachliopta aristolochiae . C'est l'espèce toxique que les espèces de la nouvelle étude imitent. Crédit :Matt Wood, UChicago
Dans la nouvelle étude, dirigé par le boursier postdoctoral Wei Zhang, Doctorat, l'équipe a analysé les données de séquence du génome entier à partir de Papilio polytes, le papillon machaon asiatique, et plusieurs espèces similaires pour voir comment elles sont liées les unes aux autres, et comment leurs copies de doublesexe se comparent. En utilisant ces données, l'équipe a comparé certaines explications alternatives des origines du mimétisme et identifié les facteurs clés qui ont maintenu différentes formes de mimétisme à long terme.
L'espèce la plus proche du groupe P. polytes, appelé Papilio protenor, est répandu à travers l'Asie continentale de l'Inde au Japon et n'a pas développé de mimétisme - les hommes et les femmes se ressemblent. D'autres espèces qui se sont propagées du continent aux îles des Philippines et d'Indonésie ont développé trois ou quatre formes distinctes, une caractéristique connue sous le nom de polymorphisme. D'autres espèces de machaon se sont propagées plus loin en Papouasie-Nouvelle-Guinée et sur la côte nord-est de l'Australie, mais ces femelles n'affichent qu'un seul motif d'aile déguisé.
Les chercheurs ont comparé les modèles qu'ils ont vus dans les données de séquence du génome à certaines explications possibles sur la façon dont ces modèles de mimétisme se sont développés au fil du temps et de la géographie. Le mimétisme a-t-il évolué indépendamment chez différentes espèces à différents moments ? A-t-il évolué dans une espèce, puis se propager par croisement ou hybridation ?
Il semble que le mimétisme ait en réalité une seule origine ancienne, lorsque le gène du double sexe a basculé il y a deux millions d'années. Depuis cette inversion initiale, Zhang et Kronforst ont vu des signes de ce qu'on appelle la sélection équilibrée. Lorsqu'un type de papillon devient plus commun, les prédateurs se rendent compte qu'ils ne sont pas toxiques et commencent à s'en nourrir. Cela réduit le nombre de ce papillon particulier, jusqu'à ce qu'un autre devienne plus commun, etc. Finalement, ce processus équilibre et préserve le nombre relatif de chaque forme.
Ils ont également constaté que certaines populations de papillons ont conservé plusieurs formes femelles pendant des millions d'années, tandis que d'autres ont perdu l'original, forme non dissimulée. Historiquement, les plus petits groupes, par ex. ceux qui se sont propagés le plus loin en Australie - ont perdu le polymorphisme, permettant à la dérive génétique aléatoire et à la sélection naturelle d'éliminer la forme originale.
Les chercheurs ont également examiné ce qui maintenait le polymorphisme au fil du temps. Une cause pourrait être la sélection sexuelle, que les hommes préfèrent certains modèles de couleurs féminines à d'autres. Des recherches antérieures sur le comportement d'accouplement ne corroborent cependant pas cette idée. Une autre possibilité est "crypsis, " ou l'idée que les femelles non déguisées se fondent mieux dans leur environnement naturel que les imitateurs. Kronforst et l'équipe ont testé cette hypothèse en comparant des femelles mimétiques et non-mimétiques sur un fond de forêt verte en utilisant des modèles de vision de prédateur (c'est-à-dire d'oiseau). mimétique, les femelles non déguisées ne se fondent pas plus dans l'arrière-plan que les imitateurs, donc cette idée est sortie aussi.
Plusieurs variations différentes de papillon machaon montrant le mimétisme et le polymorphisme, ou différentes formes de la même espèce. Rangée 1 :Une femelle et un mâle Papilio proténor , l'espèce qui est étroitement liée à Papilo polytes le point focal de la nouvelle étude. Dans P. proténo , les mâles et les femelles se ressemblent et ils n'imitent pas. Ligne 2 : Papilio ambrax une espèce où les mâles et les femelles sont différents et la femelle est un imitateur. Chez cette espèce, il n'y a pas de polymorphisme féminin. La nouvelle étude montre que son ancêtre évolutif était polymorphe, mais les femelles ont perdu ce train et n'affichent que la forme mimétique. Ligne 3 : Papilio polytes polymorphe , (L-R) Une forme femelle mimétique (l'une des 3 formes mimétiques de cette espèce), une femelle non mimétique, et le mâle. Rangée 4:Un machaon lointainement apparenté, Pachliopta aristolochiae . C'est l'espèce toxique que les espèces de la nouvelle étude imitent. Crédit :Matt Wood, UChicago
Ces deux constatations, combiné avec les données de séquence génomique, a conduit les chercheurs à commencer à réfléchir à une autre possibilité intrigante. Il se pourrait que les changements génétiques qui ont conduit au mimétisme en premier lieu aient également entraîné des inconvénients à long terme. Lorsque le gène original du double sexe s'est inversé, il transportait probablement un tas d'autres matériels génétiques sans rapport avec lui. Étant donné que le gène du double sexe inversé ne peut pas être recombiné avec sa version originale, les trucs supplémentaires ont "fait de l'auto-stop" depuis - et cela pourrait avoir des conséquences. En réalité, certaines recherches montrent que les imitateurs féminins ne vivent pas aussi longtemps que les imitateurs standard.
"Nous pensons qu'un tas de différences ont été accidentellement capturées lorsqu'une copie du gène s'est inversée et est devenue la copie mimétique. Parce que beaucoup de ces changements sont fonctionnels, ils pourraient nuire à la santé, " a déclaré Kronforst.
"L'idée est que vous avez cet inconvénient câblé au mimétisme. Les femelles standard n'ont pas la protection du mimétisme, mais ils n'ont pas non plus ce coût génétique inhérent et ces deux choses se compensent", a-t-il déclaré.
Maintenant qu'ils ont démêlé une partie de l'histoire derrière l'évolution du mimétisme, Kronforst a déclaré que son équipe souhaitait commencer à rechercher les mutations génétiques spécifiques du double sexe qui provoquent différents types de mimétisme.
« Si nous pouvons trouver des moyens de résoudre toutes les différences que nous voyons, nous devrions pouvoir le réduire à quelque chose de beaucoup plus discret que toutes les différences que nous voyons maintenant, " il a dit.
L'étude, "Retracer l'origine et l'évolution du mimétisme supergène chez les papillons, " a été soutenu par les fonds de recherche Neubauer de l'Université de Chicago, une bourse Pew Biomedical Scholars, la National Science Foundation et les National Institutes of Health. Les autres auteurs incluent Erica Westerman de l'Université de l'Arkansas, avec Eyal Nitzany et Stephanie Palmer de l'Université de Chicago.
