Ridipingere le farfalle si può, grazie a CRISPR / Repainting butterflies can be done with CRISPR
Ridipingere le farfalle si può, grazie a CRISPR / Repainting butterflies can be done with CRISPR
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Due esperimenti basati sulla tecnica di editing hanno manipolato la tavolozza genetica naturale per studiare come cambiano di conseguenza quei dipinti su tela biologica che sono le ali delle farfalle.
La biodiversità è un meraviglioso intreccio di genetica ed evoluzione e le ali delle farfalle ne sono uno degli esempi più affascinanti, con la loro varietà di disegni, macchie e colori. Capire come le stesse reti geniche diano luogo a effetti visivi tanto diversificati nelle migliaia di specie di lepidotteri esistenti è rimasto a lungo il sogno di tanti entomologi e biologi evoluzionisti. La novità è che ora gli scienziati dispongono di una tecnica così versatile e semplice da poter essere impiegata anche in organismi prima difficilissimi da ingegnerizzare.
Ovviamente parliamo di CRISPR, il sistema di modificazione genetica che è stato utilizzato in due esperimenti descritti questa settimana sulla rivista "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS), per manipolare la tavolozza genetica naturale e studiare come cambiano di conseguenza quei dipinti su tela biologica che sono le ali. Ne abbiamo discusso con Alessio Vovlas, un entomologo dell’associazione Polyxena che ha studiato sia gli aspetti molecolari che quelli ecologici delle farfalle italiane.
Robert Reed della Cornell University e i suoi colleghi hanno disattivato due geni, scoprendo che esercitano un ruolo determinante per l’aspetto delle ali. WntA imposta lo schizzo, mentre optix pennella i colori. È l’inizio di una nuova stagione di ricerca?
I ricercatori hanno modificato sette specie di quel numerosissimo gruppo di farfalle che sono chiamate Ninfalidi perché abitano i boschi. Oltre ad estendere l’esperimento sui lepidotteri, sarebbe interessante lavorare sulle libellule, in cui il pigmento ommocromo (quello su cui agisce optix) colora diversamente maschi e femmine.
Ovviamente parliamo di CRISPR, il sistema di modificazione genetica che è stato utilizzato in due esperimenti descritti questa settimana sulla rivista "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS), per manipolare la tavolozza genetica naturale e studiare come cambiano di conseguenza quei dipinti su tela biologica che sono le ali. Ne abbiamo discusso con Alessio Vovlas, un entomologo dell’associazione Polyxena che ha studiato sia gli aspetti molecolari che quelli ecologici delle farfalle italiane.
Robert Reed della Cornell University e i suoi colleghi hanno disattivato due geni, scoprendo che esercitano un ruolo determinante per l’aspetto delle ali. WntA imposta lo schizzo, mentre optix pennella i colori. È l’inizio di una nuova stagione di ricerca?
I ricercatori hanno modificato sette specie di quel numerosissimo gruppo di farfalle che sono chiamate Ninfalidi perché abitano i boschi. Oltre ad estendere l’esperimento sui lepidotteri, sarebbe interessante lavorare sulle libellule, in cui il pigmento ommocromo (quello su cui agisce optix) colora diversamente maschi e femmine.
Varrebbe anche la pena di provare la stessa tecnica di modificazione genetica sulle coccinelle, per capire cosa determina il numero dei puntini sulle ali. CRISPR contribuirà a svelare meccanismi che non sono solo intriganti per motivi estetici ma hanno anche funzioni importanti dal punto di vista biologico. Le applicazioni in entomologia possono essere molte.
A cosa serve avere ali belle e colorate?
Forma e colori hanno due funzioni principali per le farfalle. Permettono il riconoscimento fra individui della stessa specie, ai fini dell’accoppiamento, e consentono di sfruttare il mimetismo per nascondersi dai predatori. Alcune specie mimano l’aspetto delle foglie della pianta nutrice (Gonepteryx cleopatra), o la corteccia. In qualche caso la femmina ha un colore diverso dal maschio, per mimetizzarsi sul terreno durante la deposizione delle uova (Polyommatus icarus). A volte la colorazione ha anche una funzione di minaccia, come nel macaone e in altre farfalle gialle e nere. Non a caso sono i colori che utilizziamo anche noi per indicare un pericolo nei luoghi di lavoro. Allo stadio di bruco questi lepidotteri sequestrano alcaloidi tossici dalle piante nutrici di cui si alimentano. Quindi, mostrando colori vistosi, comunicano ai predatori la propria scarsa appetibilità.
Disattivando il gene WntA cambia il pattern alare. Bloccando optix la maggior parte delle farfalle studiate si scurisce, diventando grigia e nera. Ma nella specie Junonia coenia si crea un’iridescenza bluastra. Cosa la stupisce di più?
Le ali delle farfalle sono ricoperte di squame, che possono essere pigmentate o presentare rilievi e striature che producono fenomeni di rifrazione della luce. Non sono così meravigliato che cambiando i pigmenti ci siano effetti sull’iridescenza. In generale però gli esemplari modificati che hanno acquisito una colorazione scura, melanica, mi fanno pensare agli scambi fra appassionati, che un tempo avevano il culto delle aberrazioni. Un’ipotesi, tutta da verificare, è che in quegli individui – tanto apprezzati per la loro rarità e venduti alle fiere – fossero insorte spontaneamente le stesse mutazioni che ora sono state indotte intenzionalmente dai ricercatori.
Forma e colori hanno due funzioni principali per le farfalle. Permettono il riconoscimento fra individui della stessa specie, ai fini dell’accoppiamento, e consentono di sfruttare il mimetismo per nascondersi dai predatori. Alcune specie mimano l’aspetto delle foglie della pianta nutrice (Gonepteryx cleopatra), o la corteccia. In qualche caso la femmina ha un colore diverso dal maschio, per mimetizzarsi sul terreno durante la deposizione delle uova (Polyommatus icarus). A volte la colorazione ha anche una funzione di minaccia, come nel macaone e in altre farfalle gialle e nere. Non a caso sono i colori che utilizziamo anche noi per indicare un pericolo nei luoghi di lavoro. Allo stadio di bruco questi lepidotteri sequestrano alcaloidi tossici dalle piante nutrici di cui si alimentano. Quindi, mostrando colori vistosi, comunicano ai predatori la propria scarsa appetibilità.
Disattivando il gene WntA cambia il pattern alare. Bloccando optix la maggior parte delle farfalle studiate si scurisce, diventando grigia e nera. Ma nella specie Junonia coenia si crea un’iridescenza bluastra. Cosa la stupisce di più?
Le ali delle farfalle sono ricoperte di squame, che possono essere pigmentate o presentare rilievi e striature che producono fenomeni di rifrazione della luce. Non sono così meravigliato che cambiando i pigmenti ci siano effetti sull’iridescenza. In generale però gli esemplari modificati che hanno acquisito una colorazione scura, melanica, mi fanno pensare agli scambi fra appassionati, che un tempo avevano il culto delle aberrazioni. Un’ipotesi, tutta da verificare, è che in quegli individui – tanto apprezzati per la loro rarità e venduti alle fiere – fossero insorte spontaneamente le stesse mutazioni che ora sono state indotte intenzionalmente dai ricercatori.
Per fare studi come quelli di PNAS sono interessanti anche le farfalle italiane?
Con le nostre 289 specie siamo la nazione europea con la più alta biodiversità di lepidotteri. La maggior parte delle specie editate con CRISPR in questi esperimenti sono del Sud America, ma un paio sono diffuse anche in Italia: la Pararge aegeria (prevalentemente marrone) e la Vanessa cardui (con sfondo arancione). Va detto che i pattern alari non sono un criterio infallibile per il riconoscimento intra e inter-specifico. A noi per esempio la genetica è servita per distinguere due specie praticamente identiche: Zerynthia polyxena e Zerynthia cassandra. Quest’ultima risultava solo come sottospecie ma ora è stata elevata al rango di specie e risulta un endemismo italiano, con una distribuzione che va dal Po alla Sicilia.
In Europa le farfalle sono in declino per la riduzione degli habitat. Qual è la situazione in Italia, e cosa fate voi in Puglia?
La lista rossa italiana censisce 18 specie di lepidotteri diurni minacciati, ma definisce come stabili la maggior parte delle popolazioni. A Monopoli sorge Farfalia, che è una casa delle farfalle. In Italia ce ne sono una decina ma le altre ospitano specie tropicali. La nostra è l’unica che alleva specie autoctone; abbiamo ricreato un ambiente mediterraneo all’interno di una serra per allevarle e poi le liberiamo nelle aree parco per effettuare dei ripopolamenti. Un dato positivo è l’aumento dei giardini delle farfalle, ovvero delle aree in cui ci sono piante utili per la sosta, l’alimentazione e la riproduzione dei lepidotteri.
Con le nostre 289 specie siamo la nazione europea con la più alta biodiversità di lepidotteri. La maggior parte delle specie editate con CRISPR in questi esperimenti sono del Sud America, ma un paio sono diffuse anche in Italia: la Pararge aegeria (prevalentemente marrone) e la Vanessa cardui (con sfondo arancione). Va detto che i pattern alari non sono un criterio infallibile per il riconoscimento intra e inter-specifico. A noi per esempio la genetica è servita per distinguere due specie praticamente identiche: Zerynthia polyxena e Zerynthia cassandra. Quest’ultima risultava solo come sottospecie ma ora è stata elevata al rango di specie e risulta un endemismo italiano, con una distribuzione che va dal Po alla Sicilia.
In Europa le farfalle sono in declino per la riduzione degli habitat. Qual è la situazione in Italia, e cosa fate voi in Puglia?
La lista rossa italiana censisce 18 specie di lepidotteri diurni minacciati, ma definisce come stabili la maggior parte delle popolazioni. A Monopoli sorge Farfalia, che è una casa delle farfalle. In Italia ce ne sono una decina ma le altre ospitano specie tropicali. La nostra è l’unica che alleva specie autoctone; abbiamo ricreato un ambiente mediterraneo all’interno di una serra per allevarle e poi le liberiamo nelle aree parco per effettuare dei ripopolamenti. Un dato positivo è l’aumento dei giardini delle farfalle, ovvero delle aree in cui ci sono piante utili per la sosta, l’alimentazione e la riproduzione dei lepidotteri.
ENGLISH
Two experiments based on the editing technique have manipulated the natural genetic palette to study how those organic canvas paintings are the butterfly wings.
Biodiversity is a wonderful plot of genetics and evolution, and butterfly wings are one of the most fascinating examples with their variety of designs, stains and colors. Understanding how the same gene networks give rise to visual effects so diverse in the thousands of species of existing lepidopterus has long remained the dream of many entomologists and evolutionary biologists. The novelty is that now scientists have such a versatile and simple technique that they can be used even in organizations that are difficult to engineer.
Obviously, we are talking about CRISPR, the genetic modification system that has been used in two experiments described this week in the journal "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS) to manipulate the natural genetic palette and study how those paintings consequently change biological canvas that are wings. We discussed this with Alessio Vovlas, an entomologist of the Polyxena association that studied both the molecular and ecological aspects of Italian butterflies.
Robert Reed of Cornell University and his colleagues deactivated two genes, discovering they play a decisive role in the appearance of wings. WntA sets the sketch while optix brushes the colors. Is it the beginning of a new season of research?
The researchers modified seven species of that large group of butterflies that are called Ninfalids because they inhabit the forests. In addition to extending the experiment on mothers, it would be interesting to work on the dragonflies, where the ommocrome pigment (the one on which optix acts) colorfully differentiates males and females.
It would also be worth trying the same genetic modification technique on ladybugs to figure out what determines the number of dots on the wings. CRISPR will help to uncover mechanisms that are not only intriguing for aesthetic reasons but also have biologically important functions. Entomology applications can be many.
What good to have beautiful and colorful wings?
Shape and colors have two main functions for butterflies. They allow the recognition of individuals of the same species for the purposes of mating, and allow them to exploit mimicry to hide from predators. Some species mimic the appearance of the leaves of the nourishing plant (Gonepteryx cleopatra), or the bark. In some cases the female has a different color from the male to camouflage on the soil during egg laying (Polyommatus icarus). Sometimes coloring also has a threat function, such as macaone and other yellow and black butterflies. It is no coincidence that the colors we use are also indicative of a danger in the workplace. At the caterpillar stage, these mothers seize toxic alkaloids from the nutrition plants they feed. Then, showing bright colors, they communicate to the predators their little appetite.
Turning off the WntA gene changes the wing pattern. By blocking optix, most studied butterflies darken, becoming gray and black. But in the Junonia coenia species a bluish iridescence is created. What amazes you the most?
Butterfly wings are covered with scales, which can be pigmented or have reliefs and streaks that produce light refraction phenomena. I'm not so surprised that changing pigments has effects on iridescence. In general however, the modified specimens that have acquired a dark, melancholy coloring make me think of the exchanges between enthusiasts, who once had the aberration cult. One hypothesis, all to be verified, is that in those individuals - so much appreciated for their rarity and sold at fairs - they spontaneously produced the same mutations that were intentionally induced by the researchers.
To do studies like those of PNAS are also interesting Italian butterflies?
With our 289 species we are the European nation with the highest biodiversity of lepidoptera. Most of the species edited with CRISPR in these experiments are from South America, but a couple are also common in Italy: the Pararge aegeria (predominantly brown) and Vanessa cardui (with orange background). It is to be said that alari patterns are not an infallible criterion for intra and inter-specific recognition. To us, for example, genetics have been used to distinguish two virtually identical species: Zerynthia polyxena and Zerynthia cassandra. The latter was only a subspecies, but now it has been elevated to the rank of species and it is an Italian endemism, with a distribution ranging from Po to Sicily.
In Europe butterflies are in decline for habitat reduction. What is the situation in Italy, and what do you do in Puglia?
The Italian red list lists 18 species of threatened day lepidoptera, but defines most populations as stable. In Monopoli lies Farfalia, which is a butterfly house. In Italy, there are a dozen, but the others host tropical species. Our is the only one that breeds native species; we recreated a Mediterranean environment inside a greenhouse to breed them and then released them to park areas to carry out repopulations. A positive figure is the increase in butterfly gardens, ie areas where there are plants useful for the rest, feeding and reproduction of mothers.
Da:
http://www.lescienze.it/news/2017/09/20/news/biodiversita_genetica_crispr-3669733/?ref=nl-Le-Scienze_22-09-2017
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