공생의 발달적 유전적 토대

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 14014(2023) 이 기사 인용

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유기체 간의 상호작용은 종종 관계를 유지하는 데 필수적인 특성의 혁신을 중재합니다. 그러나 이러한 상호작용에 대한 우리의 이해는 비모델 동물의 유전학을 연구하는 데 있어 다양한 장애물로 인해 방해를 받았습니다. 이러한 특성이 발생하는 유전적 메커니즘을 이해하기 위해 우리는 곰팡이와 곰팡이 사이의 의무적 관계를 촉진하는 새로운 곰팡이 운반 기관(mycangium)의 개발에서 숨이 없는 유전자(btl), 기관 없는 유전자(trh) 및 이중성 유전자의 기능을 조사했습니다. 암브로시아 딱정벌레와 특정 곰팡이 파트너를 양식합니다. RNA 간섭에 의한 유전자 녹다운 및 후속적인 마이크로 컴퓨터 단층 촬영 시각화는 btl 및 trh가 mycangia의 시작에 필요하며 초기 mycangial 발달에는 세관 형성이 선택되었을 수 있음을 시사합니다.

진화발생생물학은 형태학적 혁신과 신체 계획 내에서 구조적 복잡성이 증가하는 진화의 근간이 되는 메커니즘을 둘러싼 근본적인 질문을 해결하려고 합니다. 공동 선택은 나비 눈 반점1의 진화에서 곤충 부속 유전자의 통합과 같은 새로운 발달 맥락에서 핵심 발달 유전자의 재사용을 허용합니다. 많은 흥미로운 사례 중에서, 동물 숙주 신체 내에서 미생물 공생체를 분할하는 데 도움을 줄 수 있는 새로운 특성이 특히 관련이 있습니다. 하와이 짧은꼬리 오징어(Euprymna scolopes)와 그 공생체 Vibrio fischeri는 오징어의 빛 기관 내에서 선택된 유전자 표적의 식별이 이 구조의 정체성과 진화적 기원을 해독하는 데 도움이 된 컨소시엄 중 하나입니다2.

진정한 바구미(Curclionidae) 중 3,500종 이상으로 구성된 암브로시아 딱정벌레는 독립적으로 12번 이상 곰팡이와 의무적인 영양 파트너십을 형성했습니다3. mycangia라고 불리는 특수 기관 내에서 곰팡이 공생체를 매개하는 능력으로 인해 형태와 기능에 대한 많은 연구가 이루어졌습니다. 그러나 계통 발생 연구 이외의 연구에서는 분자 유전 자원을 제공하는 연구가 거의 없으며 mycangia의 반복적인 진화를 뒷받침하는 유전 및 발달 메커니즘은 여전히 ​​잘 이해되지 않습니다. Mycangia는 다양한 정도의 복잡성을 지닌 다양한 신체 부위에서 발견될 수 있습니다. 일부 mycangia는 얕은 구덩이로 존재하는 반면 다른 일부는 더 복잡한 함입, 주머니 또는 세뇨관입니다3,6. 이러한 구조적 적응은 유충의 영양 구성과 나무껍질 딱정벌레 친척과 비교할 때 목본 환경 내 출생 갤러리 구조의 변화와 관련이 있습니다. 따라서 목질균류는 암브로시아 딱정벌레와 곰팡이 공생으로 정의된 생태적 틈새 시장에 필수적입니다. xylomycetophagy에 대한 이러한 진화는 매우 다양한 곰팡이 파트너 사이에서 발생했습니다6; 동일한 구조적 및 기능적 종말점을 향한 다양한 영양학적 연관은 이러한 긴밀한 영양적 관계가 숙주 곤충 내에서 전문화된 발달을 촉진할 수 있음을 시사합니다.

곰팡이 배양의 상대적으로 파생된 특성은 리그노셀룰로오스를 귀중한 자원으로 활용할 수 있게 함으로써 영양이 고갈된 목본 서식지에서 딱정벌레의 번성 능력을 촉진했습니다. 그들의 나무 천공 행동은 주로 스트레스를 받거나 죽어가는 나무를 표적으로 삼지만, 숙주 나무에 대한 광범위한 공격은 나무의 쇠퇴를 악화시킬 수 있습니다. 오늘날의 세계화된 세계에서 외래 암브로시아 딱정벌레 종의 도입은 자생 나무와의 새로운 상호 작용 가능성을 증가시켜 새로운 숙주 연합이 발생할 가능성을 증폭시킵니다. 결과적으로, 암브로시아 딱정벌레는 산림병리학 및 곤충학 분야에서 중요한 주제로 부상했습니다. 또한 mycangia 형태의 다양성과 곰팡이 파트너와의 공생 관계는 evo-devo 관점에서 매우 흥미로울 수 있습니다. 여기서 우리는 암브로시아 딱정벌레 종인 Euwallacea validus를 사용하여 mycangia 발달의 유전적 토대를 연구했습니다. 1900년대 후반에 미국에 도입된 이 종은 미국 북동부 지역에서 널리 발견됩니다. 성체 암컷 E. validus는 하악골 뒤의 머리 내측에 위치한 한 쌍의 전구강 근육통에서 주요 영양 공생체인 Fusarium Oligoseptatum을 벡터로 사용합니다. mycangia의 내부 조직을 해결하는 이전 연구에서는 머리 내에서 기본 mycangia보다 열등하고 각 눈 근처에 측면에 위치한 두 번째 작은 주머니 쌍을 확인했지만 기능적 특성까지 확장하지는 않았습니다8. Euwallacea 종은 또한 발달 전반에 걸쳐 출생 갤러리 내에서 대체 역할을 하는 것으로 이론화되는 2차 공생체(예: Raffaelea subfusca 및 Graphium sp.)를 벡터하는 것으로 알려져 있습니다9. 다른 암브로시아 딱정벌레 종은 여러 개의 근육통을 발생시킬 뿐만 아니라 별도의 주머니에 서로 다른 공생체를 분리할 수도 있는 것으로 밝혀졌습니다6. 유왈라케아(Euwallacea) 속을 둘러싼 결의안은 주변 파트너십과 관련하여 많은 질문에 답되지 않은 채로 남아 있지만 이 딱정벌레와 Fusarium 사이의 높은 충실도 관계를 보여주었습니다. 250마리의 암컷 E. validus에 대한 검사 및 배양 기반 샘플링을 통해 샘플링된 개체의 99.2%에서 곰팡이가 회수되었으며, 이는 야생형 개체군10,11에서 mycangia 및 곰팡이 집락의 강력한 보존을 나타냅니다.