Nghiên cứu mối quan hệ di truyền trong gia đình châu chấu Acrididae trỏ đến nguồn gốc Nam Mỹ

Anonim

Grasshoppers là một trong những nhóm côn trùng phổ biến nhất trên thế giới, được tìm thấy ở khắp mọi nơi từ đồng cỏ đến rừng mưa nhiệt đới đến các dãy núi bị cô lập đến sa mạc cát. Và bây giờ, nhờ phân tích mối quan hệ di truyền của loài châu chấu kéo dài một thập kỷ, các nhà khoa học đã có bức tranh rõ ràng nhất về những con đường tiếp cận tiến hóa đã đạt được sự đa dạng đó - và những phát hiện đã đặt nơi sinh của dòng châu chấu rộng lớn nhất ở Nam Mỹ, không phải châu Phi, như đã từng nghĩ.

Để tiến hành nghiên cứu, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Texas A & M và Museo de La Plata ở Argentina đã thu thập mẫu vật châu chấu từ 22 quốc gia và lấy mẫu DNA. Dựa trên 142 loài châu chấu, các nhà nghiên cứu đã phân tích các trình tự nucleotide của cả bộ gen hạt nhân và ty thể từ những mẫu này để tìm hiểu xem các loài châu chấu khác nhau trên khắp thế giới có liên quan như thế nào. Các phát hiện từ nghiên cứu, phân tích di truyền đầu tiên của Acrididae nói chung, được công bố ngày nay trong Hệ thống côn trùng và đa dạng.

"Chúng tôi đã sử dụng sự khác biệt về nucleotide giữa các loài khác nhau để suy ra mối quan hệ", Hojun Song, Tiến sĩ, phó giáo sư côn trùng học tại Texas A & M và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết. "Ví dụ, các loài có liên quan chặt chẽ sẽ chia sẻ các đoạn nucleotide tương tự nhau vì chúng có chung tổ tiên, nhưng các loài có liên quan xa sẽ có nhiều nucleotide khác nhau giữa chúng."

Kết quả phát sinh loài - gần giống như một cây gia đình, nhưng trong trường hợp này là Acrididae, họ hàng phân loại lớn nhất của châu chấu — cho khoa học một sự hiểu biết mới, sắc thái hơn về cách mà những người châu chấu phát triển. Nó cho thấy rằng châu chấu trong Acrididae có nguồn gốc từ một tổ tiên chung, nhưng nhiều phân loài hiện đang được coi là "paraphyletic", có nghĩa là chúng không thể thu hẹp lại thành tổ tiên chung của chúng trên cây Acrididae.

Trong lịch sử, phân loại châu chấu đã gặp khó khăn do sự tiến hóa hội tụ, trong đó các sinh vật không liên quan chặt chẽ phát triển các tính năng và ngoại hình tương tự bên ngoài khi chúng thích nghi với môi trường tương tự. Do đó, các nhà phân loại thường nhóm các loài không liên quan vào cùng một nhóm do các hình dạng cơ thể hội tụ tương tự nhau. Trong khi đó, thường chỉ có một vài sự khác biệt về vật lý tồn tại giữa các loài, các nhà phân loại học hàng đầu dựa vào bộ phận sinh dục châu chấu đực làm định danh hàng đầu để phân biệt các loài. Song Song và các đồng nghiệp nói rằng phân tích di truyền của họ cung cấp một ống kính mới thông qua đó các nhà phân loại học có thể xem xét lại việc phân loại châu chấu.

"Có một số phân họ, chẳng hạn như Catantopinae và Hemiacridinae, đã được coi là bán phá giá phân loại trong nhiều thập kỷ, " Song nói. Điều này có nghĩa rằng rất nhiều nhóm không liên quan đã tích lũy trong các nhóm nhân tạo này. Cho thấy tính chất paraphyletic của các nhóm này là bước đầu tiên để phân loại lại phân loại, và chúng tôi thấy trước sẽ có một số thay đổi lớn trong phân loại châu chấu trong tương lai gần.

Hệ thống và đa dạng côn trùng ">

Có lẽ quan trọng nhất trong những thay đổi đó là quyết tâm rằng tổ tiên chung của châu chấu trong họ Acrididae sống ở Nam Mỹ, không phải châu Phi. Các nhà khoa học từng nghĩ rằng Acrididae có nguồn gốc từ châu Phi vì nhiều gia đình có liên quan khác tồn tại ở châu Phi và bởi vì châu chấu ở Nam Mỹ chưa được khám phá đầy đủ. Phân tích di truyền bao gồm các mẫu từ tám loài bên ngoài nhưng liên quan đến các mẫu ở Acrididae. Trong số những loài "outgroup" được lấy mẫu, những loài được coi là liên quan chặt chẽ nhất trong phân tích di truyền đều có nguồn gốc từ Nam Mỹ. Các nhà nghiên cứu cũng đã nghiên cứu các mẫu hóa thạch để hiệu chỉnh tuổi của các loài cá chấu châu chấu nhất định, và họ phát hiện ra rằng dòng phân nhánh sớm nhất trong họ Acrididae cũng chủ yếu được tìm thấy ở Nam Mỹ.

"Những mối quan hệ này tập trung vào nguồn gốc Nam Mỹ của gia đình quốc tế này, " Song nói. "Cây thời gian hiệu chỉnh của chúng tôi cho thấy rằng Acrididae có nguồn gốc từ Paleocen của thời kỳ Kainozoi, 59, 3 triệu năm trước."

Vào thời điểm đó trong lịch sử, các lục địa Nam Mỹ và châu Phi đã tách biệt nhưng gần gũi hơn so với vị trí hiện tại của chúng, và Bắc Phi được bao phủ trong các khu rừng mưa nhiệt đới, giống như vùng Amazon ở Nam Mỹ. Song và các đồng nghiệp đề xuất rằng tổ tiên đơn của Acrididae lần đầu tiên phân nhánh từ những người thân ở Nam Mỹ và sau đó đi ngang qua Đại Tây Dương vào khoảng 57 triệu năm trước. Những "người thực dân" này tìm thấy môi trường sống thích hợp ở châu Phi và sau đó nhanh chóng phát tán và đa dạng trên khắp châu Phi và sang châu Âu và châu Á. Sau đó, phân tích di truyền chỉ ra ít nhất ba sự kiện tái hòa nhập tiếp theo trong đó châu chấu đi ngược trở lại Bắc Mỹ, tăng cường sự lây lan và đa dạng hóa toàn cầu của chúng.

Với tình trạng mang tính biểu tượng của loài châu chấu trong lĩnh vực côn trùng, Song cho biết ông đã rất ngạc nhiên rằng trước đây chưa có ai cố gắng xây dựng một phát sinh loài Acrididae thông qua các kỹ thuật di truyền phân tử. Nỗ lực mới này đã được thực hiện bởi các khoản tài trợ, có từ năm 2008, từ Quỹ Khoa học Quốc gia về nghiên cứu của Song về sự tiến hóa của Orthoptera, thứ tự côn trùng bao gồm châu chấu và họ hàng của chúng như cào, dế và katydid. Trước khi một dự án phát sinh loài như vậy có thể bắt đầu, thì cần nhiều năm làm việc để thu thập một loạt các loài mẫu cần thiết, được hỗ trợ bởi những đóng góp từ các cộng tác viên quốc tế.

"Nó không phải là một lời nói quá để nói rằng nghiên cứu này mất 10 năm để hoàn thành, " Song nói. "Loại nghiên cứu này đòi hỏi việc lấy mẫu phân loại rộng rãi để đại diện cho sự đa dạng được biết đến một cách thích hợp, có lẽ là khía cạnh khó khăn nhất — nhưng cũng thú vị nhất trong bất kỳ nghiên cứu phát sinh loài động vật có quy mô lớn nào."

Acrididae được biết là có chứa khoảng 6.700 loài. Và như vậy, trong khi phân tích di truyền mới là chi tiết nhất trên gia đình châu chấu, các loài mà nó lấy mẫu chỉ chiếm 2 phần trăm sự đa dạng của Acrididae. Song nói rằng ông và các đồng nghiệp của ông đang mong muốn tiếp tục xây dựng cây gia đình châu chấu.

"Chúng tôi dự định tăng việc lấy mẫu taxon trong tương lai và sử dụng nhiều đánh dấu phát sinh loài để xây dựng một hệ thống phát sinh loài toàn diện hơn. Đồng thời, chúng tôi dự định phân loại lại các nhóm chính trong gia đình để phân loại sẽ phản ánh các nhóm đơn điệu", ông nói.

menu
menu