Morfogenesis

Mare 20, 17 februari 2005 http://www.mareonline.nl/0405/20/0701.html

© Herman Berkhoudt / Tony Frankino - Vlinders komen voor in veel lichaamsvormen. Linksboven Morpho aurora, rechtsboven Jemadia fallax, linksonder een atlasmot en rechtsonder een pijlstaartvlinder Herman Berkhoudt / Tony Frankino -

Vlinders vervormen vrijuitHester van Santen

Evolutiebiologen verkennen in het vakblad Science het mechanisme dat de lichaamsvorm van vlinders bepaalt.‘We weten nog niet eens waarom een rat groter is dan een muis.’

Er bestaat een prentenboek dat een waar monument is voor de vormenrijkdom onder de dieren. Het heet Een gat in de natuur en gaat – helaas – alleen over soorten die de laatste paar honderd jaar zijn uitgestorven. Een dappere dodo prijkt op de voorkant, maar binnenin wemelt het vooral van de exotische knaagdieren: muizen met buidels en extreem lange staarten of enorme ratten. Ze gingen ten onder, vaak door de kennismaking met de bekende Europese bruine rat.

Maar daar gaat het hier niet over: wat opvalt, is de enorme variatie aan lichaamsvormen die de natuur te bieden heeft. Het uitrekken, opblazen of inkrimpen van elk onderdeel is in de evolutie wel eens voorgekomen. Maar zo frivool als de denkbeeldige schepper te werk gaat bij het cre 챘 ren van nieuwe soorten, zo rigide is het vormbehoud binnen een soort. De ene citroenvlinder of de andere: het is lood om oud ijzer.

De paradox ligt voor het oprapen, maar vreemd genoeg is er nog nauwelijks onderzoek naar gedaan. Vandaar dat het gerenommeerde wetenschapsblad Science toehapte toen Leidse evolutiebiologen samen met collega’s uit Princeton een studie presenteerden naar juist dit onderwerp: twee weken geleden stond het op papier.

De biologen uit de groep van prof.dr. Paul Brakefield zochten uit hoe ver ze konden gaan met het vervormen van vlinders, door ze te kweken zoals tomatentelers gewend zijn. Ze lieten de vlinders met de grootste vleugels met elkaar paren, zochten van het nageslacht opnieuw de dieren met de grootste vleugels, enzovoort. Zo maakten ze twee groepen vlindermannetjes: grote dikke met minivleugels, en kleine dunne met enorme zeilen – relatief dan, in werkelijkheid waren de verschillen net met het blote oog te zien. Vervolgens onderzochten ze hoe de gedrochten presteerden in de vrije natuur.

De uitkomst: je kunt een vlinder door te kweken bijna elke vorm geven, maar die vreemde vogels delven wel het onderspit in de evolutionaire wedloop. Brakefield, die de honneurs waarneemt voor eerste auteur Tony Frankino die momenteel in de VS verblijft: ‘Ik vind het toch wel een beetje verrassend. Ik dacht dat we wel beperkingen zouden vinden. En bijzonder is dat we nu met de nieuwe morfologie ook natuurlijke selectie hebben aangetoond.’

Een vakgenoot, de Utrechtse evolutiebiologe dr. Gerdien de Jong, onderkent desgevraagd de waarde van de studie. ‘Dit soort zuiver morfologisch onderzoek wordt heel weinig gedaan, terwijl er wel honderden mensen met moleculaire ontwikkelingsbiologie bezig zijn. Als je vraagt: waarom zijn ratten groter dan muizen, dan weten we dat eigenlijk helemaal niet.’

Het Leidse onderzoek met het bruine tropische vlindertje Bicyclus anynana was dan ook tamelijk bewerkelijk. Honderden vlinders moesten dertien generaties lang worden gekweekt, wat bijna twee jaar duurde. Vervolgens werden ze uitgezet in de tropische kas van de Hortus, om te paren. Om bij te houden wie het met wie deed, bepoederden de biologen de mannetjes met fluorescente kleurstoffen. De potjes met knalgeel, -rood en –blauw staan nog in een kartonnen doos op Brakefields kamer.

Tussen de bananenbomen aan het Rapenburg bleek het gevolg van de survival of the fittest: vlinders van dezelfde soort blijven op elkaar lijken. Van de mannetjes met afwijkende vormen lukte het namelijk maar 20 procent om te paren, tegenover 60 procent van de normale. De hoogleraar denkt dat daarvoor praktische redenen zijn. ‘Misschien kunnen de gewone mannetjes wel sneller opstijgen, achter vrouwtjes aan vliegen of baltsen. Dat zijn we nu aan het onderzoeken met high speed video.’

Verwonderlijk is het niet dat natuurlijke selectie tot vormbehoud leidt - hetzelfde mechanisme speelt overal in de natuur. Opvallender conclusie was volgens de hoogleraar dat bij de embryonale ontwikkeling blijkbaar geen problemen optreden die al te vreemde vormen onmogelijk zouden maken – zulke developmental constraints zijn een belangrijk discussiepunt onder evolutiebiologen. Maar hoewel de bioloog aangeeft zulke beperkingen wel verwacht te hebben, zag hij ze bij de vlinders in zijn laboratorium niet eerder.

‘Tot nog toe hebben we altijd dezelfde resultaten gezien: je kunt kenmerken van elkaar ontkoppelen.’ Oftewel: bij selectie voor grote vleugels worden andere onderdelen niet automatisch ook groot; precies wat in het Science-artikel naar voren kwam. ‘We hebben ondertussen hetzelfde gedaan met grote voorvleugels en kleine achtervleugels. Daarbij zie je hetzelfde resultaat. Dat had ik nog minder verwacht, want voor de ontwikkeling van de voor- en achtervleugels is dezelfde set genen verantwoordelijk.’

Brakefields Utrechtse vakgenoot De Jong toont zich echter minder overtuigd. ‘Ik denk dat dertien generaties niet genoeg is om tegen developmental constraints aan te lopen. Ik denk dat je op een gegeven moment toch zult zien dat je niet alle maten kan krijgen, dat een vlinderlijf

bijvoorbeeld niet dikker kan worden dan dat van een pijlstaartvlinder.’

De Leidse evolutiebioloog geeft toe dat enige beperkingen zich wel aandienden bij dit experiment. Het selecteren op groot of klein lichaamsgewicht lukte maar bij één van de vier kweken. ‘ Dat is een voorbeeld van een mogelijke bias. Misschien komt het door de opzet van het experiment, maar een goede verklaring hebben we er niet voor.’ In de conclusie van hun artikel houden de biologen het er op dat natuurlijke selectie de ‘belangrijkste kracht’ is die voor de evolutie van lichaamsvormen bij insecten zorgt.

Hoe dat zit voor andere kenmerken, daarvoor loopt nu een experiment in de met netten vol vlinders gevulde klimaatkamers aan de Kaiserstraat. In zo’n warme cel (29 graden Celcius) wijst Paul Brakefield de goudgeel-met-zwarte oogvlekken aan die elke bruine vlindervleugel sieren. ‘We proberen nu om door kweken de kleur van de oogvlekken te ontkoppelen. De ene oogvlek moet dan zwart worden, de andere goud.’ Of dat lukt, is de vraag. ‘We hebben nog geen definitieve conclusies, maar dat zou nog wel eens moeilijk kunnen zijn.’

W. Anthony Frankino e.a.: ‘Natural selection and developmental constraints in the evolution of allometries’. Science, 4 februari

Vreemde vlindersNatuurlijke selectie straft afwijkende vleugels

http://noorderlicht.vpro.nl/artikelen/21182695/

Vlinders fokken met een groot lijf en kleine vleugels is verrassend simpel, ondervonden Leidse biologen. Het omgekeerde lukte al even makkelijk. Overleven kunnen die veranderde vlinders wel, maar bij de voortplanting hebben ze het nakijken.

De verhouding tussen lichaamsgrootte en vleugeloppervlak varieert flink tussen verschillende soorten vlinders, maar ligt binnen iedere soort bijna helemaal vast. Leidse evolutiebiologen vroegen zich af of dit ingebakken zit in de genen die de vlinderontwikkeling sturen of dat er iets anders aan de hand is. Als het aan de genen ligt zou het heel moeilijk moeten zijn om vlinders te fokken met kleine vleugels en een groot lijf, of juist het omgekeerde. Ze besloten dit te proberen met Bicyclus anynana (het tropisch zandoogje), een Oost-Afrikaanse vlinder waar deze groep al jaren onderzoek aan doet.

Bas Zwaan, 챕챕 n van de onderzoekers: "Tot onze verrassing zagen we al na een paar generaties behoorlijk sterke effecten van onze kunstmatige selectie. Het bleef moeilijk om dat met het blote oog te zien, dus je moet je er ook weer niet al te veel van voorstellen, maar in statistische termen waren de verschillen indrukwekkend." Na dertien generaties waren de foklijnen al zo ver uit elkaar gegroeid dat zonder voorkennis bijna altijd met zekerheid te zeggen was of een vlinder uit de groep dikkerds met kleine vleugels kwam of uit de groep grootvleugelige lichtgewichten.

"De lichaamsverhoudingen lagen genetisch dus veel minder strak vast dan we van tevoren hadden gedacht", aldus Zwaan. "Maar toch vind je daar in de natuur heel weinig variatie in. Dat zou kunnen betekenen dat er een sterke natuurlijke selectie tegen afwijkingen is. Om dat na te gaan deden we een tweede experiment, in de tropische kas van de Hortus Botanicus. Daar gedragen de vlinders zich vrijwel net zo als in de vrije natuur." In de kas werden gewone vrouwtjes en drie typen mannetjes losgelaten: de twee afwijkende typen en ook een kruising tussen die twee, met normale vleugels.

De voortplantingsorganen van de mannetjes waren vooraf bepoederd met stoffen die onder een UV-lamp in verschillende kleuren oplichten. Door na een paar dagen de vrouwtjes onder de lamp te houden konden de onderzoekers vaststellen welke groep mannetjes seksueel het meeste succes had gehad.

De verschillen waren overweldigend. In overleven waren de drie typen even goed, maar mannetjes met normale vleugels hadden wel driemaal zoveel paringen achter de rug als exemplaren met extra grote of extra kleine vleugels. De natuur straft deze afwijkingen dus stevig af. Hoe gaat dat in z'n werk? Zwaan: "Dat weten we niet zeker. Het heeft waarschijnlijk te maken met de luchtgevechten die de mannetjes onderling houden, of met het vleugelgeklapper vlak voor de paring. In ieder geval weten we nu dat de natuurlijke selectie hier de grenzen bepaalt, en niet het genetische ontwikkelingsprogramma van de vlinders."

Mannetjes met normale vleugels paarden driemaal zo vaak als hun afwijkende seksegenoten (foto Paul M. Brakefield)

Elmar Veerman

Jun 10, '07

Wat vlinderoogvlekken ons vertellenhttp://www.kennislink.nl/web/show?id=99854

De mogelijkheid tot genetische variatie is een voorwaarde voor evolutie. Dergelijke variatie ontstaat door mutaties, vari 챘 rend van verandering van 챕챕 n enkele base tot de verdubbeling van het hele genoom. Er is opvallend weinig bekend over het fundamentele proces (het werkingsmechanisme) van mutatie. Ook op de vraag wat voor soort genen moeten veranderen om eigenschappen van organismen te veranderen (de aard van de mutatie) is nog geen volledig antwoord te geven. Op de Universiteit van Leiden, bij de afdeling Evolutiebiologie zijn onderzoekers hard op weg naar het ontrafelen van deze vraagstukken.

De relatie tussen mutatie, genetische verschillen en evolutieDe uiterlijke verschillen tussen soortgenoten (de verschillen in fenotype) hangen samen met de mate waarin de individuen verschillend DNA hebben, in combinatie met omgevingsfactoren. De fenotypische verschillen kunnen heel klein zijn, zoals bij 챕챕 neiige tweelingen. Zij hebben precies hetzelfde genetisch materiaal (de DNA-volgorde is gelijk), en de verschillen die er zijn, ontstaan door invloeden van de omgeving.Deze omgevingsfactoren kun je vinden zowel buiten het organisme (bijvoorbeeld de temperatuur) maar ook binnen organismen (zoals toevallige veranderingen in de ontwikkeling).

De omgevingsfactoren hebben vaak maar een subtiel effect, aangezien de ontwikkelingsprocessen die leiden tot een volgroeid organisme (en die genetisch vastliggen), heel goed zijn beschermd tegen deze invloeden. Individuen die niet al het genetische materiaal hetzelfde hebben, vertonen over het algemeen veel meer verschillen. Dat komt omdat, behalve de omgeving, vooral genetische variatie (verschil in genotype) verschil veroorzaakt tussen de fenotypen.

Waarom wordt er in de evolutiebiologie zoveel aandacht besteed aan genetische verschillen, ofwel variatie op DNA-niveau? Het antwoord is heel simpel: zonder genetische variatie, geen evolutie. Immers, alleen verschillen die een genetische grondslag hebben, worden van generatie op generatie doorgegeven. Onder invloed van toevalsprocessen (mutaties) en natuurlijke selectie gaan bepaalde genetische mutaties of varianten wel, of juist niet over van ouders op nakomelingen, hetgeen uiteindelijk tot een verandering van de genetische samenstelling van de populatie en mogelijk van de soort zal leiden. Die verschuiving en opeenhoping van genetische variaties, tussen populaties (groepen soortgenoten die over het algemeen niet samen in een gebied leven), liggen ten grondslag aan het ontstaan van nieuwe soorten.

Uiteraard geldt voor natuurlijke selectie wel, dat het optreden van DNA-verandering – en het doorgeven hiervan – alleen tot nieuwe soorten kan leiden, als deze verandering leidt tot een fenotypisch verschil tussen soortgenoten. Dit lijkt triviaal, maar brengt ons op een aantal vragen.

Genetische variatie die leidt tot fenotypische verschillen, is dus het ruwe materiaal dat evolutie mogelijk maakt en ontstaat door mutatie. Mutaties zijn er in allerlei soorten en maten. Van het veranderen van 챕챕 n base in de DNA-volgorde (een puntmutatie), tot het verwijderen, vermeerderen of verplaatsten van hele genen of delen DNA, en zelfs complete genoomverdubbeling. Je kunt je afvragen hoe groot het aantal mutaties is van het DNA dat in elke generatie wordt geproduceerd. En welke factoren het optreden van mutaties be챦 nvloeden. Is de kans op het ontstaan van mutaties afhankelijk van de plaats in het genoom of van de algemene structuur van het genoom? Kortom: zijn er beperkingen in de mogelijkheden?

Een prangende vraag is ook welke genvariaties belangrijke eigenschappen van organismen wijzigen. Zijn dat de structurele genen (bijvoorbeeld genen die belangrijke enzymen produceren) of juist de genen die de transcriptie en expressie van structurele genen reguleren en be 챦 nvloeden (de zogenaamde transcriptiefactoren)? De laatste vraag is onderwerp van studie op de Universiteit van Leiden, en onderwerp van dit artikel.

Het vlindervleugelpatroon als modelHet bestuderen van vlindervleugelpatronen is een goede manier om uit te zoeken welke genen verantwoordelijk zijn voor fenotypische veranderingen. De sectie Evolutiebiologie van de Universiteit van Leiden (zie ook de internetsite) onderzoekt al meer dan tien jaar de ontwikkelingsbiologie, de genetica en de ecologie van de tropische dagvlinder Bicyclus anynana.

Het gaat te ver om hier alle aspecten van dat onderzoek te belichten, maar belangrijk is vooral te weten dat op de rug- (dorsale) en buik- (ventrale) zijde van de vlindervleugels een serie cirkelvormige oogvlekken zitten. Deze vlekken hebben een witte ‘pupil’, ook wel focus genoemd, met daaromheen zwarte schaalcellen. De ventrale oogvlekken vertonen fenotypische plasticiteit: ze kunnen wisselen van uiterlijk. In het droge seizoen zijn ze belangrijk voor de crypsis (onopvallend zijn door schutkleur) en in het natte seizoen dienen ze als afleiding voor natuurlijke vijanden.

De dorsale oogvlekken maken deze vlinder geschikt als modeldier gebruikt voor het onderzoek. In het popstadium is dit deel van het ontwikkelende weefsel namelijk goed bereikbaar voor manipulatie door wetenschappers, waardoor zij bepaalde details van het (dorsale) ontwikkelingsproces goed kunnen bestuderen. De dorsale oogvlekken op de vleugels van Bicyclus anynana zijn mogelijk betrokken bij soortherkenning en bepalen waarschijnlijk mede het paringsucces. Dit aspect - dat onder de seksuele selectie valt - is nog voldoende onderzocht bij deze vlinder, maar de Leidse onderzoeksgroep is al een stukje op weg.

Afb. 1: Een paartje Bicyclus anynana vlinders waarbij de ventrale oogvlekken duidelijk te zien zijn.

De sleutel tot het raadsel: Distal-lessUit eerder onderzoek bleek dat er veel genetische variatie is in grootte (en andere eigenschappen) van de dorsale oogvlekken. Van de Leidse vlinderpopulatie is bepaald dat 50 tot 70% van de fenotypische variatie (uiterlijke verschillen) tussen de individuen het gevolg is van genetische variatie, en de resterende 50 tot 30% van de omgeving. Dit werd gemeten met behulp van selectie-experimenten. Keer op keer kozen de onderzoekers de individuen met de kleinste dan wel de grootste oogvlekken als ouders voor de volgende generatie. Op deze manier ontstonden lijnen (stambomen of families) met genetisch zeer verschillende oogvlekgrootte.

Uit eerder onderzoek is ook bekend, dat de ontwikkeling van de dorsale oogvlekken samenhangt met de expressie van een specifieke transcriptie factor, Distal-less genaamd (Dll). Dll is een evolutionair zeer geconserveerd gen, zowel qua base volgorde als ook functioneel. Dat wil zeggen dat in zeer uiteenlopende diergroepen (in dit geval: uiteenlopende insectensoorten) weinig veranderingen

zijn ontstaan in de DNA-basenvolgorde en helemaal geen in de werking van het eiwit waarvoor Dll codeert.

In ontwikkelend vleugelweefsel is het Dll-eiwit (Dll) zichtbaar gemaakt met behulp van genexpressieëxperimenten waarbij antilichamen tegen Dll (die een soort lichtgevende ‘vlaggetjes’ bezitten) de aanwezigheid van Dll zichtbaar maken. Precies op de plaats waar later de witte focus van de oogvlek op de vlindervleugel zichtbaar wordt, vonden de onderzoekers Dll expressie. Het is echter nog onduidelijk of het Dll-gen zelf bijdraagt aan de genetische variatie voor oogvlekgrootte in de Leidse populatie. Een Aio (assistent in opleiding) onderzocht dit vraagstuk en vond het antwoord.

Afb. 2: Deze afbeelding bestaat uit twee delen. De linkerzijde van de foto is een sterke uitvergroting van een oogvlek, zoals die ook te zien is op de eerste afbeelding. De schaalcellen zijn duidelijk te zien. Deze liggen als dakpannen over elkaar en zijn gevuld met pigmenten van verschillende kleur.De rechterzijde van het plaatje laat een ontwikkelende oogvlek zien in het late larvale/ vroege pop stadium. Deze oogvlek is “gekleurd” voor drie verschillende genen (met antilichamen voor de verschillende genen, zie tekst), Distall-less, engrailed en spalt.

Uitgangspunt van diens experimenten waren de selectielijnen met grote genetische variatie voor dorsale oogvlekken. Individuen uit de ene lijn (met grote oogvlekken) werden gekruist met individuen van de andere (kleine oogvlekken). De nakomelingen van deze kruisingen werden teruggekruist met individuen met de grote of de kleine oogvlekken. Op deze manier ontstonden er vlinders die een genetische mengeling zijn, van DNA uit de ene en uit de andere selectielijn. De mengeling is meetbaar omdat ze tot expressie komt in de vorm van oogvlekgrootte.

Het was dus zaak om uit te zoeken welke stukken DNA verantwoordelijk waren voor de fenotypische verschillen. De jonge onderzoekster achterhaalde voor elk individu uit haar kruisingen of het Dll-DNA afkomstig was uit de selectielijn voor grote of voor kleine oogvlekken. Voor dit gedeelte van het onderzoek werd samengewerkt met een Amerikaanse wetenschapper.

De onderzoekers kloneerden het Bicyclus Dll gen en bepaalde voor een deel van dit gen de basenvolgorde (sequentie). Hierna gingen ze opzoek naar verschillen tussen de selectielijnen in deze base volgorde. Met andere woorden: waren er mutaties te vinden die uniek zijn voor de ene dan wel voor de andere selectielijn. Een aantal van deze mutaties kwam naar voren. Deze mutaties zijn genetische markeringen waarmee onderscheid tussen de twee selectielijnen kan worden gemaakt. Voor 챕챕 n hiervan ontwierp de Leidse onderzoekster een moleculaire test, die relatief snel kon uitmaken welk Dll-gen (van de grote- of kleine-oogvleklijn) elk individu in de kruising bezat.

Nu alle experimentele middelen in stelling zijn gebracht en uitgevoerd, rest nog de statistische analyse. De redenering hierachter is eenvoudig. Als het Dll-gen geen rol speelt bij de genetische variatie voor oogvlekgrootte van vlinders, dan zal je geen verschil vinden tussen vlinders met grote of kleine oogvlekken, wat betreft de aanwezigheid van een van de twee mogelijke Dll-gen varianten. Want voor deze eigenschap is Dll dan een “neutraal” gen.

Als het echter zo is dat individuen uit de kruisingen met grote oogvlekken vaker drager zijn van het Dll-gen dat kenmerkend is voor de grote oogvlekselectielijn dan van het Dll uit de kleine oogvlekselectelijn, dan betekent dit dat variatie op het Dll-gen wel betrokken is bij het bepalen van de grootte van de oogvlek. Dit laatste bleek het geval.

Belangrijke ontdekkingTevens kwam uit het onderzoek naar voren dat in lijnen met grotere oogvlekken, meer Dll tot expressie komt dan in lijnen met kleinere oogvlekken. Dus de mate waarin een van de Dll-genen tot expressie komt, speelt ook een rol.

Afgezien van deze sterke associatie tussen Dll en de grootte van de oogvlekken, geeft de data ook aan dat de variatie op het gen zelf verantwoordelijk is voor de verschillen in oogvlekgrootte. Dit is een opzienbarende ontdekking, die in het gerenommeerde blad Nature is gepubliceerd (zie ook bronnen). Immers, Dll is een evolutionair geconserveerd gen, waarvan gedacht wordt dat veranderingen op het gen zeer gering zijn, en in ieder geval niet functioneel (vandaar de naam geconserveerd gen). Nu blijkt dus dat er wel verschillende versies zijn van Dll-genen, die zorgen voor fenotypische verschillen.

Het is niet waarschijnlijk dat de functie van Dll ook is veranderd. De kans is groter dat de genetische markeergenen die de onderzoekster ontdekte en die kenmerkend zijn voor grote, dan wel kleine vleugeloogvlekken, te maken hebben met de regulatie van het Dll gen. Het kan ook zo zijn, dat die kenmerkende genen verschillen in expressie door verschillen in transcriptie en translatie van (respectievelijk) het DNA en het RNA. Daarnaast is het niet ondenkbaar dat niet het markeergen zelf, maar een genetisch polymorfisme, zeer dicht in de buurt van het kenmerkende gen, verschilt in genexpressie.

Dit soort experimenten worden wel genetische associatie experimenten genoemd. Wetenschappers zijn altijd heel voorzichtig als ze de uitkomsten van dergelijke experimenten analyseren. Ze tonen immers alleen aan dat er een associatie is tussen het kenmerk dat wordt onderzocht en het kandidaat-gen. De uitkomst van de analyse is dus niet perse dat het kandidaat-gen zelf de veroorzaker is van de variatie in het fenotypische kenmerk (oorzakelijk verband). In het Leidse onderzoek konden de onderzoekers met berekeningen wel laten zien dat het heel erg waarschijnlijk is dat Dll zelf direct betrokken is bij de variatie in oogvlekgrootte. Overigens, tussen ons gezegd en gezwegen, zijn wetenschappers vaak bang om harde uitspraken te doen; zou je ze ernaar vragen, dan houden ze nog veel slagen om de arm.

Wordt vervolgd…Het onderzoek heeft dus enkele antwoorden, maar nog meer vragen opgeleverd. De wetenschappers in Leiden gaan daarom verder met hun onderzoek. Stukje bij beetje wordt de sluier steeds wat verder opgelicht. Daarom… wordt vervolgd!

Bronnen:Beldade, P., Brakefield, P. M. and Long, A. D. (2002). Contribution of Distal-less to quantitative variation in butterfly eyespots. Nature 415, 315-318.

Zie ook:Universiteit Leiden, afdeling Evolutionaire biologie

Voor vragen of opmerkingen n.a.v. dit artikel kunt u mailen met:Expertise Centrum Biologie, NIBI

Bezoek de website van het NIBI

Beperkingen op evolutie bij de vlinder Bicyclus anynana Wilte Zijlstra

Selectie en beperking

Volgens doctor Pangloss, de huisleraar van Candide uit Voltaires boek Candide, of het optimisme, leven we in de best mogelijke wereld van alle werelden en is alles gemaakt met een doel. In de evolutiebiologie heeft deze doctor furore gemaakt omdat zijn naam gekoppeld werd aan het adaptatieprogramma waartegen Stephen Jay Gould en Richard Lewontin in 1979 ageerden. Zij stelden dat Darwins natuurlijke selectie ten onrechte gezien wordt als de enige factor die de uitkomst van evolutie bepaalt. Alles zou ontstaan zijn als aanpassing ten gevolge van natuurlijke selectie.

Natuurlijke selectie volgens Darwin werkt als volgt: levende organismen vermenigvuldigen zich in principe exponentieel en bij oneindige middelen tot in het oneindige. In de echte wereld zijn middelen (voedsel, zonlicht, etc.) beperkt, waardoor er competitie is. Sommige organismen overleven en planten zich beter voort dan anderen. Als deze variatie (deels) erfelijk bepaald is, dan hebben hun nakomelingen ook de eigenschappen waardoor ze zich beter handhaven en vermenigvuldigen dan anderen, en zal hun relatieve aantal toenemen. Op den duur blijven alleen de best aangepaste combinaties van erfelijke eigenschappen over. Door bijvoorbeeld mutaties ontstaan nieuwe (combinaties van) erfelijke eigenschappen die al dan niet beter aangepast zijn.

Wat de adaptionisten verweten wordt, is dat zij alleen selectie en adaptatie als oorzaak van evolutie zien. Volgens Gould en Lewontin spelen ook beperkende factoren (constraints) een rol en zijn niet alle eigenschappen en biologische structuren adaptief. Stephen Jay Gould bepleit zelfs een actieve rol voor deze constraints. Er zijn verschillende voorbeelden van constraints te geven. Zo zouden ogen in het achterhoofd van een konijn best voordelig zijn; je ziet altijd de vos aankomen en je bent op tijd weg. Toch zal deze innovatie waarschijnlijk niet plaatsvinden. Er zijn meer innovaties te bedenken die op zich wel voordeel bieden, maar toch niet zullen voorkomen, bijvoorbeeld door beperkingen tijdens de ontwikkeling en groei, of doordat er voor die eigenschap geen variatie aanwezig is in het erfelijk materiaal. Als een bepaalde eigenschap nooit voorkomt, dan kan er ook geen selectie op plaatsvinden.

De koppeling van twee eigenschappen kan ook beperkend op evolutie zijn. Als bijvoorbeeld een groeihormoon de lengte van zowel de armen als de benen bepaalt, dan vari 챘 ren die twee eigenschappen niet onafhankelijk van elkaar. Iemand met veel groeihormoon heeft lange armen 챕 n lange benen. Maar om de combinatie lange armen en korte benen te krijgen, zou je grote hoeveelheden voor de armen nodig hebben en een klein beetje hormoon voor de benen. Door de afhankelijkheid van beide eigenschappen van hetzelfde hormoon ontstaan mogelijke beperkingen op evolutie.

Mijn onderzoek

In dit proefschrift heb ik vooral gekeken naar het relatieve belang van constraints en selectie. Kunnen we door streng te selecteren in het laboratorium alle mogelijke combinaties van eigenschappen krijgen of zijn bepaalde combinaties niet mogelijk? Om dit te onderzoeken heb ik gebruik gemaakt van de tropische vlinder Bicyclus anynana (‘tropisch zandoogje’). Ik heb twee grote selectie-experimenten gedaan waarbij ik geprobeerd heb twee gekoppelde eigenschappen los te koppelen. Als constraints belangrijker zijn dan selectie, dan zal selectie geen veranderingen opleveren wanneer beide eigenschappen in tegengestelde richting geselecteerd worden. Reageren de antagonistische (tegengestelde, bijvoorbeeld lange armen en korte benen) selectielijnen relatief net zo goed als de agonistische (beide eigenschappen in dezelfde richting, bijvoorbeeld lange armen en lange benen), dan lijkt alles mogelijk via selectie.

De hoofdstukken

De twee eigenschappen voor mijn eerste selectie-experiment waren ontwikkelingstijd en oogvlekgrootte. Vlinders die zich snel ontwikkeld hebben (‘snelle’ vlinders) hebben grotere oogvlekken dan ‘langzame’ vlinders (die meer tijd nodig hadden om van ei tot vlinder te volgroeien, zie bijvoorbeeld figuur 1.2). In hoofdstuk 2 beschrijf ik de uitkomsten van het selectie-experiment met deze twee eigenschappen. De koppeling tussen deze twee eigenschappen blijkt niet remmend te werken op het resultaat van selectie: lijnen waarbij ik geselecteerd heb voor ‘snelle’ vlinders met kleine oogvlekken (tegengestelde selectie) reageerden relatief net zo goed als selectielijnen voor bijvoorbeeld ‘snelle’ vlinders met grote oogvlekken.

Dit roept de vraag op hoe dat hormonaal werkt. Verschillen in zowel ontwikkelingstijd als oogvlekgrootte zijn gerelateerd aan hormoonspiegels van het hormoon ecdyson. Vlinders die geselecteerd zijn voor een snelle ontwikkeling hebben een eerdere hormoonpiek na verpopping dan ‘langzame’ vlinders. Selectie voor grotere oogvlekgrootte resulteert in een eerdere hormoonpiek in vergelijking met vlinders die geselecteerd zijn voor kleinere oogvlekgrootte. Hoe is dat opgelost in selectielijnen met tegengestelde selectie, waarbij de hormoonpiek twee verschillende kanten wordt uitgetrokken? Nu blijkt (hoofdstuk 3) dat het hormoon ecdyson belangrijker is voor ontwikkelingstijd dan voor oogvlekgrootte. De hormoonpiek die ik gemeten heb voor tegengesteld geselecteerde lijnen leek meer op wat je zou verwachten voor ontwikkelingstijdselectie, dan voor oogvlekselectie. Dat wil zeggen dat de piek voor ‘snelle’ vlinders eerder is en later voor ‘langzame’ vlinders. Waarschijnlijk ontstaan de verschillen in oogvlekgrootte die wel aanwezig zijn in mijn selectielijnen via een ander mechanisme, bijvoorbeeld doordat de cellen in de vleugels (genetisch) meer of minder gevoelig worden voor het signaal om een andere kleur aan te nemen, en zo een oogvlek te vormen.

Hoofdstuk 4 is een methodologisch stuk. Hier heb ik een techniek onderzocht die het mogelijk maakt ontwikkelingstijd te corrigeren voor omgevingsinvloeden. We zijn het meest ge 챦 nteresseerd in erfelijke verschillen in ontwikkelingstijd, niet zozeer in de effecten van bijvoorbeeld kleine temperatuur- of voedselkwaliteitverschillen tussen kooien. Door bepaalde mutanten als ijkpunt te gebruiken kunnen we de experimentele dieren beter vergelijken. Een korte, schematische weergave van deze methode is te zien in figuur 4.3.

De laatste drie hoofdstukken gaan over protandrie, het eerder uitkomen van mannetjes. In hoofdstuk 5 heb ik naar het verschil in ontwikkelingstijd tussen mannetjes en vrouwtjes bij verschillende temperaturen gekeken. Ook vergelijk ik protandriepatronen van selectielijnen voor ontwikkelingstijd of voor popgewicht. Bij een hogere opgroeitemperatuur (>23 쨘 C) was het verschil in gemiddelde uitkomst tussen mannetjes en vrouwtjes onveranderlijk twee dagen. Bij een lagere temperatuur nam het verschil toe, en met name bij lijnen geselecteerd voor langzame ontwikkeling was het verschil groot. Dit impliceert dat het mogelijk zou moeten zijn om de sekses onafhankelijk van elkaar te selecteren voor ontwikkelingstijd. Dat is precies wat in hoofdstuk 6 beschreven wordt. Ik heb alle mogelijke combinaties van ontwikkelingstijd van mannetjes en vrouwtjes geselecteerd. Om bijvoorbeeld protandrie te verminderen heb ik steeds de langzaamste mannetjes met de snelste vrouwtjes laten paren. Is het mogelijk om de ontwikkelingstijd van mannetjes te veranderen in een richting die tegenovergesteld is aan die van vrouwtjes en zo bijvoorbeeld lijnen te krijgen waar mannetjes en vrouwtjes gemiddeld even snel zijn? Na acht generaties van selectie waren er geen verschillen in protandrie tussen de selectielijnen en was het ook niet anders dan de protandrie van de ouders aan het begin van het experiment. Dit ligt niet aan het feit dat ontwikkelingstijd niet reageert: lijnen waarbij zowel mannetjes als vrouwtjes voor snellere, danwel langzamere ontwikkeling geselecteerd waren, zijn beduidend sneller of langzamer. De relatie tussen mannelijke en vrouwelijke ontwikkelingssnelheid was echter onveranderd. Ooit moet er wel sekse-specifieke genetische aanleg voor ontwikkelingstijd aanwezig geweest zijn, anders had protandrie nooit kunnen ontstaan. In dit geval lijkt het er dus op dat selectie niet omnipotent is. Op de korte termijn konden we de relatie tussen de sekses met betrekking tot ontwikkelingstijd niet veranderen.

In hoofdstuk 7 kijk ik naar gecorreleerde responsen, dat wil zeggen, veranderingen in eigenschappen waar niet direct op geselecteerd is, maar waar de selectielijnen wel in verschillen. Vlinders die zich snel ontwikkelen hebben bijvoorbeeld een lager popgewicht dan zich

langzaam ontwikkelende vlinders. Mogelijk bleven de protandrie-patronen onveranderd door veranderingen in popgewicht, die als een soort buffer werkten. Lijnen geselecteerd voor meer of minder protandrie (groter of kleiner gemiddeld verschil tussen mannetjes en vrouwtjes) vertoonden echter geen afwijkende popgewichten of groeisnelheden.

Wie wint?

De hamvraag in dit proefschrift was: wat is belangrijker, constraint of selectie? Mijn twee selectie-experimenten geven twee verschillende antwoorden. Voor oogvlekgrootte en ontwikkelingstijd lijkt de koppeling niet uit te maken. Door selectie kun je alle mogelijke combinaties bereiken. Maar het protandrieselectie-experiment toont aan dat niet alles mogelijk is door selectie.

De waarheid ligt ergens in het midden.

Sep 30, '06

Vlindervlekken veranderen soms samenAls de ene oogvlek van de tropische vlinder Bicyclus anynana van uiterlijk verandert, veranderen sommige andere oogvlekken mee, zo blijkt uit onderzoek van Leidse biologen.

Die conclusie roept basale evolutionaire vragen op als:

is die koppeling functioneel, of kunnen de vlekken zich niet anders ontwikkelen?

Evolutiebiologen breken zich al jaren het hoofd over het belang van de zogeheten concerted evolution .

Darwin schrijft voor dat levende wezens door de evolutie zo veranderen dat ze zo goed mogelijk aangepast zijn, maar de vraag is in hoeverre dat mogelijk is.

In de ontwikkeling van een plant of dier is het ontstaan van sommige kenmerken gekoppeld (‘concerted‘) - door bijvoorbeeld het gelijktijdig aanschakelen van genen -, wat beperkingen oplevert voor de optimale aanpassing van elk kenmerk op zich.

Bij vlinders speelt de concerted evolution-discussie een rol bij het ontstaan van patronen op de vleugels.

Het lijkt erop dat elke vleugel is onderverdeeld in gebiedjes die zich redelijk zelfstandig kunnen ontwikkelen. Maar dat klopt maar gedeeltelijk, blijkt uit deze publicatie van Patr 챠 cia Beldade en Paul Brakefield. Ze richtten zich op de oogvlekken van Bicyclus anynana; elke oogvlek ligt in een ander vleugelgebiedje. De biologen vroegen zich af wat er gebeurt als je vlinders kweekt bij wie een bepaalde oogvlek heel groot of juist klein is: veranderen de andere vlekken mee of niet? Zeventien generaties lang vlinders kweken en selecteren leverde vier vlinder-‘rassen‘ op die verschilden in de twee vlekken op de rugkant van de voorvleugel: allebei groot, allebei klein en twee type vlinders met een kleine en een grote vlek. Door de selectieprocedure veranderden echter ook andere kenmerken: vlinders met twee grote vlekken vóór hadden bijvoorbeeld ook grote vlekken op de achtervleugels en relatief veel zwart in elke vlek, terwijl vlinders met twee kleine vlekken weinig wit in hun oogvlek bezaten. De twee biologen wijden het samenhangende uiterlijk van de vlekken aan de concerted evolution: wellicht ontstaan ze alle uit dezelfde voorouder-genen en is hun ontwikkeling daarom nog altijd gekoppeld. Maar functioneel is de koppeling volgens de auteurs niet: een vlinder zou er veel meer aan hebben om zijn oogvlekken onafhankelijk van elkaar te kunnen veranderen. Het feit dat ook selectie voor een kleine 챕 n een grote vlek op de voorvleugel mogelijk is - ze publiceerden er vorig jaar nog over in Nature - betekent volgens hen dat de oogvlekken steeds meer ‘ontkoppeld‘ raken.

Hester van Santen

Patrícia Beldade & Paul M. Brakefield: ‘Concerted evolution and developmental integration in modular butterfly wing patterns; Evolution and Development, maart-april 2003