Risolto il mistero degli incredibili elmi alieni dei Membracidi: a costruirli sono i geni delle ali
Ma questi minuscoli insetti nascondono altri segreti evolutivi nel loro aspetto straordinario
[10 Dicembre 2019]
I Membracidi sono piccolissimi insetti dall’aspetto alieno e meravigliosamente mostruoso, vivono in tutto il mondo, soprattutto in boschi e giardini e sfoggiano alcuni degli “elmi” tra i più strani e impressionanti nel mondo degli insetti. Sul nostro pianeta vivono più di 3.000 specie di queste Treehopper, come le chiamano gli anglosassoni, conosciute per il loro pronoto ornato – la parte superiore dorsale del primo dei tre segmenti del torace di un insetto – ma perché i membracidi abbiano sviluppato questi vistosi ingrandimenti tridimensionali dell’elmo che li distingue dal resto degli insetti resta un mistero, anche se molti scienziati pensavano finora che il mimetismo e il camuffamento per proteggersi dai predatori fosse una probabile una ragione.
Ma il nuovo studio “Co-option of wing-patterning genes underlies the evolution of the treehopper helmet” pubblicato su Nature Ecology & Evolution da un team di ricercatori del Department of ecology and evolutionary biology dell’università del Connecticut, getta nuova luce sul ibattito di lunga data su come si sia evoluto l’elmetto dei membracidi.
La principale autrice dello studio, Cera Fisher, che studia i treehopper dal 2012, spiega: «Sono sempre stata interessata a qualcosa che sembra davvero cool e, in particolare, ai tipi di forme del corpo davanti alle quali ti dici. “Whoa! Come si è evoluto?” Capisci, qualcosa che sia solo un po’ strabiliante». E gli elmetti dei membracidi sono in effetti strabilianti: in alcune specie assomigliano a foglie o spine, mentre in altre sembrano come se delle formiche o delle vespe fossero appollaiate sulla testa dei treehopper.
Come sia nato questo elmetto unico è stato oggetto di dibattito tra gli entomologi e i biologi evoluzionisti che studiano i piccoli insetti: si sviluppa usando gli stessi geni del resto della testa? O per svilupparlo i membracidi hanno dovuto prendere in prestito geni da qualche altra parte dell’esoscheletro, forse dalle zampe o dalle ali?
La Fisher spiega ancora. «Come per i loro parenti più stretti – che in realtà sono quasi ogni altra specie di insetto – questa stessa parte del corpo è solo un pezzo piatto del loro dorso. Nei Treehopper, quella parte del corpo si proietta in tre diverse dimensioni, dando loro questo spazio completamente nuovo in cui possono evolversi. Erano già in giro da forse 130 milioni di anni, ma allora hanno evoluto 3.000 diverse forme di questa parte del corpo. Questo tipo di diversità è davvero sorprendente».
Il team della Fisher ha cercato di capire come i membracidi abbiano evoluto il loro elmetto sequenziando l’RNA degli insetti, l’acido nucleico presente in tutte le cellule viventi che funziona come un messaggero, portando informazioni su come vengono espressi i geni. I ricercatori statunitensi hanno prima allevato una colonia di Entylia carinata, che la Fisher chiama “camelback treehopper” – una specie che vive nel Connecticut, ha un’interessante elmo a forma di curva, si sviluppa relativamente rapidamente da uovo ad adulto e non è così schizzinoso riguardo al cibo come alcune altre specie: colonia dell’università del Connecticutsi ciba di piante di girasole a rapida crescita e facili da coltivare.
Poi la Fisher ha dissezionato i minuscoli insetti utilizzando un microscopio e strumenti di precisione ed ha estratto dai treehopper i campioni di cui aveva bisogno. Ha anche utilizzato lo stesso procedimento con esemplari di Homalodisca vitripennis, un insetto della famiglia Cicadellidae – noto per essere il più importante vettore del batterio Xylella fastidiosa causa di molte malattie delle piante, compresi gli ulivi in Italia – una specie imparentata con i membracidi ma priva dell’elmo e che, invece, esibisce un pronoto più tipico, dalla superficie liscia. I ricercatori dicono che l’Homalodisca vitripennis è probabilmente qualcosa di molto vicino a quel che pensano potesse essere l’antenato dei Treehopper.
La Fisher ha quindi sequenziato l’RNA estratto da diverse parti del corpo in entrambi gli insetti e ha cercato le eventuali somiglianze in oltre un miliardo di data points alla ricerca di eventuali somiglianze o segnali che potessero portare a specifici geni in gioco nella formazione dell’elmo dei membracidi. Alla fine, mentre la sequenza dell’RNA dell’Homalodisca vitripennis mostrava che il suo pronoto piatto era sostanzialmente simile al suo mesonotum piatto, che è la parte superiore del suo secondo segmento del corpo, i geni del pronoto con l’elmetto dell’Entylia carinata erano molto simili a quelli delle sue ali.
La Fisher sottolinea. «Avevamo tre idee diverse su cosa avesse potuto portare all’evoluzione dell’elmo. Pensavamo che forse avevano utilizzato gli stessi percorsi di sviluppo che normalmente vengono utilizzati in quella parete dorsale del corpo. Pensavamo che potesse essere possibile che avessero riutilizzando alcuni geni correlati alle ali, e poi pensavamo che poteva darsi che avessero riutilizzato i geni che normalmente sono coinvolti nello sviluppo delle zampe. A un livello molto elevato, i dati dell’RNA indicano che l’elmetto utilizza molti degli stessi geni utilizzati per lo sviluppo delle ali; è stato costruito con gli stessi geni».
Un’altra autrice dello studio, Elizabeth Jockusch, direttrice di laboratorio che sovrintende al lavoro della Fisher, ha detto che «Per me la più grande sorpresa è stata la portata dell’effetto sull’espressione genica. Avrei pensato che anche se l’elmo avesse incorporato una rete di sviluppo da qualche altra parte del corpo, avremmo visto ancora prevalentemente che sembrava il suo omologo seriale, il che significa la parte del corpo più vicina, il secondo segmento toracico». Ma lo studio ha dimostrato che non è così: il paesaggio genetico che collega le ali all’elmetto è risultato straordinariamente chiaro. Secondo la Jockusch, «L’altra sorpresa dello studio è stata che, tra le due specie – Treehopper e cicalina – tutto nell’espressione genica si allinea esattamente come pensi, tranne l’elmo del Treehopper».
La Fisher aggiunge. «Soprattutto negli insetti, con il modo in cui i loro piani corporei cambiano, il modo in cui si ha tutta questa diversità è che queste parti del corpo ripetute in serie divergono l’una dall’altra. Quel che è interessante riguardo ai treehopper è che sono un caso di divergenza da questi omologhi seriali in cui non ha solo acquisito alcuni cambiamenti gradualmente nel corso di centinaia di milioni di anni. Hanno preso tutta questa suite di geni e la hanno ridistribuita in questo punto e, così facendo, hanno ottenuto una parte del corpo davvero diversa».
Lo studio del team della Fisher -del quale fa parte anche Jill Wegrzyn – ha coinvolto solo una specie di Membracidi e una specie di Cicaline e ha Campionato gli insetti solo ad un certo punto del loro sviluppo, da ninfe immature a adulti completi e con l’elmo. Il loro lavoro su questi minuscoli e affascinanti insetti continuerà con ulteriori studi che prevedono il campionamento delle stesse specie in punti diversi nel loro sviluppo ninfale, nonché il campionamento di due specie aggiuntive di Treehopper per vedere se la stessa segnalazione di RNA si verifica in diversi membri di questa variegata famiglia. Lo studio continuo aggiungerà anche un’altra specie di confronto, il grande insetto dell’euforbia (Oncopeltus fasciatus), della famiglia dei Lygaeidae.
La Fisher conclude. «Ci sono ancora delle domande a cui rispondere su come sia nato l’elmo dei treehopper. Possiamo provare come sono avvenuti i primi cambiamenti, come quello che è cambiato esattamente per dare il via a tutta questa espressione genica simile ad un’ala? Un’altra domanda è che, dato che abbiamo questa espressione genica simile ad un’ala, come hanno potuto ottenere tutte queste forme? Come hanno potuto ottenere tutta questa diversità? Perché c’è anche molta diversità nelle ali degli insetti e molti modi in cui le ali degli insetti possono cambiare aspetto e forma sono stati molto studiati, specialmente nelle farfalle. Ma non sappiamo come questa cosa tridimensionale possa essere venuta fuori attraverso la selezione naturale».