BIOLOGIA, ECOLOGIA, EVOLUÇÃO E GENÉTICA DE POPULAÇÕES DE BORBOLETAS HELICONIUS DO BRASIL.

Borboletas Heliconius sp são membros de um dos maiores gêneros de borboletas e frequentemente encontradas a partir do sul dos Estados Unidos, América Central e do Sul, Índia Ocidental, mas a maior diversidade está na Bacia Amazônica. Heliconius sp ainda tem a peculiaridade de visualizar o ultravioleta e apresentar comportamento de descanso gregário.

Heliconius aumentaram complexidade visual através da duplicação de receptores de opsina levando a extensão de catação de comprimentos de ondas longos, especialmente opsinas para azul – e ultravioleta em Bombyx.

Esses mecanismos oferecem excelentes oportunidades para estudos genômicos de radiação adaptativa e especiação. O gênero conta com 43 espécies e diversos exemplos repetidos de evolução convergente entre espécies distantemente relacionadas e evolução divergente entre taxa estreitamente relacionados.

Filogenia de Heliconius. Clique para ampliar

Elas mostram um continuum de divergência geográfica e especiação, pois são intragáveis ​​e exibem diversificação inter e intra-específica de cores e padrões. Elas são o único grupo de borboletas que se alimentam de pólen, uma atividade que é responsável por sua longevidade incomum e peculiaridade na fecundidade. Heliconius são também altamente sociais em comparação com outras borboletas.

Na Amazônia há um padrão geográfico bem estabelecido para diferentes formas e cor de borboletas Heliconius.  Há semelhanças entre as espécies dentro de qualquer área da Amazônia, mas os padrões de cores miméticas são trocados a cada 160 ou 320 km. Ao lado desta divergência geográfica, algumas espécies estreitamente relacionadas em uma área muitas vezes pertencem a grupos de espécies não-palatáveis, juntamente com algumas espécies palatáveis, que convergiram no mesmo padrão de cores de advertência.

Espécies miméticas como Heliconius erato e H. melpomene têm freqüentemente evoluído em uma peculiar diversidade de sub-espécies. As duas espécies parecem idênticas em qualquer localidade, mas seus padrões mudam de acordo com sua abrangência geográfica. Múltiplas formas de seleção estão atuando na divergência de espécies de Heliconius, sendo um bom exemplo a irmã espécie Heliconiu cydno e H. melpomene. São espécies simpátricas (mesmo local) em toda a América Central e América do Sul, mas diferem no habitat, uso de planta hospedeira e mímica. Embora ambas as espécies sejam inpalatáveis ​​e tenham cor de advertência, elas pertencem a dois diferentes anéis miméticos.  Heliconius cydno é tipicamente preta com variedades amarelas e brancas e geralmente imita borboletas Heliconius sapho e H. eleuchia que habitam florestas densas e profundas.

Contudo, a Heliconius melpomene é preta e vermelha com tons de amarelo e é um mímico de Heliconius erato, que habita áreas abertas. As duas espécies ocasionalmente hibridizam na natureza. As fêmeas híbridas são estéreis, mas os machos são férteis. Os híbridos produzidos tem baixa aptidão, porque são não-miméticos.

Trabalhos recentes mostram que uma mudança no padrão de cor mimetismo foi crucial no isolamento entre essas duas espécies. Machos de H. cydno tem a probabilidade de um terço de cortejar uma H. ​​melpomene com o padrão de seu próprio tipo. Os resultados sugerem que a cor é importante para a escolha de seus companheiros e que o acasalamento é maior em condição simpatrica.

Agraulis, Dione, Podotricha, Dryadula e Dryas são gêneros que da sub-família Heliconinae e fazem parte de um grupo basal, com a venação formando uma célula discal aberta na asa traseira. Heliconiines com células abertas são relativamente palatáveis e por não desfrutarem de um padrão de coloração de aviso desenvolveram um voo rápido para evitar a predação. Suas populações se dispersam rapidamente e estão associados habitats abertos ensolarados, onde visitam sem especialização a diversas flores e fazem a polinização.

Os gêneros restantes; Eueides, Neruda, e Heliconius são grupos avançados e mais diversificados em termos de números de espécies. Todos possuem uma célula discal fechada na asa traseira. Esses gêneros de células fechadas são geralmente impalatáveis, advertindo o predador com cores de aviso e voo lento. Seus padrões de asa são simples e formados por alguns elementos marcantes e adaptados para a coloração de advertência.

Heliconiini representantes com células discais abertas ou fechadas são contornados de preto na asa posterior. Nos últimos 60 anos grandes estudos têm abordado a sistemática das borboletas. Estas hipóteses filogenéticas acabam ficando conflito em um ou outro ponto, em particular no que diz respeito às relações entre os gêneros Heliconius, Eueides, Neruda e Laparus, levando a discordância sobre a origem do traço comportamental derivado, como a alimentação de pólen.

A mais recente tentativa de resolver as relações filogenéticas do grupo, utilizando marcadores moleculares, mostrou que Heliconius é um grupo parafilético, com Laparus Doris e Neruda. Isto sugere uma única origem de alimentação do pólen e a perda deste traço em Neruda. No entanto, diferentes genes não são congruentes nessa colocação de Neruda, portanto a monofilia das espécies que se alimentam de pólen não pode ser descartada.

Em Heliconius, é normal que machos cuidarem das pupas de fêmeas para que assim que elas nasçam eles já copulem. Análises evolutivas sugerem que este comportamento evoluiu apenas uma vez sendo compartilhado para alguns grupos posteriormente. Além disso, o estudo mostrou três origens independentes para gregarismo larval a partir de um ancestral solitário, mostrando que tal comportamento surgiu após coloração de advertência.

Desde a época de Darwin, as borboletas amazônicas têm fascinado os biólogos evolucionários como exemplos da evolução em ação. Henry Walter Bates em 1862 conta sobre suas viagens na Amazônia a Charles Darwin que foi cativado não só pelas pesquisas de Bates a respeito da biodiversidade impressionante de espécies de borboletas e padrões asa encontrados na selva amazônica, mas também pela mímica impressionante entre espécies não-relacionadas.

Borboletas palatáveis (comestíveis para pássaros) acabaram desenvolvendo um padrão de coloração próximo e por vezes idêntico a de espécies impalatáveis, com padrões das asas de espécies que mostram toxidade de modo a evitar os predadores. Bates descreveu a evolução em ação a partir de variedades de espécies, em que os padrões de asa diferentes foram encontrados juntos na mesma localidade, por meio de espécies relacionadas com padrões de asa diferentes.

Hoje, pouco mais de 150 anos depois de Darwin e Bates, a ciência moderna tem levado isso a outro nível, a previsibilidade genética da evolução por meio da identificação da base genética de mimetismo padrão de asa. Atualmente já se sabe que não só espécies comestíveis imitam aquelas de gosto desagradável ​​(o tipo de mimetismo chamado de batesiano em homenagem, claro, a Bates), mas que várias espécies desagradáveis ​​podem se beneficiar imitando umas as outras (em um mimetismo chamado de mulleriano). Abelhas e vespas são bons exemplos disto (veja TIPOS DE MIMETISMO E OS PRECIOSOS EXEMPLOS DA NATUREZA). Muitas das borboletas amazônicas fazem mimetismo mülleriano, sendo, novamente, o grupo mais bem estudado o gênero Heliconius.

Estudos feitos para determinar padrões de asas de Heliconius selvagens confirmaram a ideia de Bates. Mudanças no padrão de asa tem um papel muito importante na determinação do quão bem sucedido as borboletas estão em ambos os sexos e na capacidade de evitar ser predada. Usando um modelo de experimentação chamado flapping, utilizado para estudar diferentes padrões, pesquisadores mostraram que as borboletas escolhem acasalar com indivíduos que têm a mesma aparência e coloração. Por isso, ao longo do tempo, diferentes padrões são susceptíveis a se dividir em novas espécies.

Híbridos entre populações com diferentes padrões ou padrões intermediários que não são reconhecidos por predadores como prejudiciais sofrem desproporcionalmente com ataques, reforçando a divisão em novas espécies. Este duplo papel dos padrões de asa, tanto para os predadores quanto parceiros, faz do padrão de um traço essencial para a especiação, exatamente como Bates sugeriu – mudanças nos padrões das asas levam à evolução de novas espécies.

E essas espécies deixam assinaturas de seleção. A espécie Heliconius melpomene, que tem muitas populações geográficas com padrões de cores muito diferentes é bastante estudada por geneticistas no Panamá em estudos financiados pela Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC), The Royal Society, Leverhulme Trust e a Natural Environment Research Council (NERC).

Heliconius melpomene da Amazônia e suas diversas subespécies.

A importância evolutiva da hibridação, ou introgressão, tem sido bastante debatida no mundo acadêmico. A introgressão é o fluxo de genes de uma espécie para o acervo genético de outra através de repetidos retrocruzamentos entre um híbrido e sua geração progenitora. Os híbridos que geralmente são inaptos, podem ajudar na adaptação, transferindo características benéficas entre as espécies. Uma pesquisada publicada na revista Nature usando ferramentas genômicas para investigar introgressão em Heliconius melpomene, a comparou com outros taxa para investigar evolução cromossômica em Lepidoptera, especialmente o fluxo gênico entre as múltiplas espécies ou subespécies de Heliconius.

Entre 12.669 genes estudados, as expansões biologicamente importantes de famílias de genes Hox (responsáveis por estruturas as partes do corpo) são as mais notáveis. Do ponto de vista evolutivo, a organização cromossômica manteve-se praticamente conservada desde o período Cretáceo, quando as borboletas se separaram da linhagem das mariposa Bombyx. Usando o sequenciamento genômico, os pesquisadores visualizaram a troca de genes entre três mímicos; Heliconius melpomene, Heliconius timareta e Heliconius elevatus, especialmente em duas regiões genômicas de controle de mimetismo.

A radiação mais recente é o clado H. melpomene e o clado silvaniforme. A maioria das espécies destes clados podem ocasionalmente hibridizar na natureza com membros de outros clados. Genealogias de genes de um pequeno número de loci indicaram introgressão entre espécies. Descobriu-se que a borboleta Heliconius heurippa tem sua origem no hibridismo. A introgressão adaptativa de um loci mimético é, portanto, uma explicação plausível para a evolução paralela de múltiplos padrões miméticos, especialmente no caso do clado melpomene/silvaniforme.

Heliconius e Silvaniformes. Heliconius timareta e H. elevatus apresentam o mesmo padrão. Clique para ampliar

Usando 6010 genes ortólogos (ou seja, compartilhados de um ancestral comum e que seguiu um caminho evolutivo independente) identificados entre H. melpomene e Bombyx mori os pesquisadores descobriram que 11 dos 21 grupos de H. melpomene mostram homologia simples com os cromossomos de Bombyx mori. Mostrou também que os outros 10 grupos têm contribuições importantes a partir de dois cromossomos de Bombyx mori revelando várias fusões cromossômicas que nunca haviam sido identificadas.

Estas fusões na linhagem Heliconius provavelmente ocorreram após a divergência do gênero irmão Eueides que tem o cariótipo de n = 31. Três fusões cromossômicas são evidentes em Bombyx mori (nos cromossomos 11, 23 e 24) e mostram a atual Bombyx com n = 28 em seu cariótipo, diferente da versão ancestral cujo o n = 31. Linhagens de Heliconius e Bombyx divergiram no Cretáceo a ou há menos 100 milhões e as estruturas cromossômicas permaneceram altamente conservadas em comparação com os de moscas ou mesmo o de vertebrados.

Sustentando essa ideia, estudos com genes Hox estão, aqueles envolvidos no plano de desenvolvimento do corpo dos animais identificou quatro genes Hox adicionais em Heliconius, entre eles Hox genes pb e zen ortólogos aos genes SHX em Bombyx mori. Essas duplicações de genes Hox nas borboletas e Bombyx têm uma origem comum e são independentes das duas duplicações conhecidas em dípteros (zen2 e BCD)

O estudo ainda apontou algo mais interessante, que a borboleta Heliconius elevatus e a H. heurippa formaram-se durante um evento de especiação a partir de hibridismo. As evidencias genéticas apontam que elas irradiaram de Heliconius pardalinus butleri, mas as regiões genômicas referentes ao padrão de coloração se assemelham as de sub-espécies de Heliconius melpomene. O padrão de cor é importante para o acasalamento em Heliconius e a transferência de padrão mimético pode ter habilitado espécies irmãs divergentes como a H. elevatus inclusive a coexistir com H. pardalinus em toda a bacia amazônica.

Apesar de ter se suspeitado por muito tempo que a introgressão pode ser importante na radiação evolutiva, agora, a partir deste estudo publicado na Nature, sugere-se que a introgressão e adaptação é mais difundida do que se pensava anteriormente.

Outros estudos usando o genoma e dados de seqüência de DNA mostram que há introgressão e mistura entre os clados Melpomene/cydno e Silvaniform. Os grupos que se separaram um do outro há cerca de 30 milhões de gerações ainda trocam genes. Estimativas de migração históricas baseados em 523 sequências de DNA de 14 genes sugerem um fluxo gênico unidirecional do clado melpomene/cydno para o clado silvaniforme. Além disso, o agrupamento genético com base em 520 polimorfismos de fragmentos amplificados de comprimento identificou vários indivíduos de ascendência mista mostrando que introgressão está ainda em curso e atuando dinamicamente na evolução dessas espécies.

Estes resultados demonstram que o genoma é poroso para o fluxo de genes muito longos após a divergência inicial. Isto vem expandindo o potencial evolutivo da introgressão. A diversidade fenotípica de Heliconius provavelmente surgiu da hibridização introgressiva. Evidências de fluxo gênico contínuo ao longo de milhões de anos apontam para esta tese e mostram uma fonte potencialmente importante de variação genética para abastecer a evolução de novas formas.

Durante a última década, pesquisadores recolhem diferentes formas de H. melpomene de toda a América do Sul e realizam cruzamentos genéticos em uma estação de campo no Panamá. Estes cruzamentos revelaram que as diferenças na cor padrão são controladas por um pequeno número de genes que estão agrupados em quatro cromossomos das Heliconius (de um total de 21). Os genes agem como “interruptores” de padrão de formação da asa, ligando e desligando na presença de elementos importantes do padrão, como uma banda grande de tonalidade vermelha. O desafio é descobrir exatamente como esses genes funcionam.

Regiões do genoma borboleta foram seqüenciadas (e estão disponíveis na internet) para tentar identificar a natureza específica desses padrões. Muitos genes estão envolvidos no controle do desenvolvimento da asa ou pigmentos de cor. Em duas regiões genômicas estudadas até agora, cada uma contém cerca de 20 genes sendo que nenhum deles é conhecido por seu envolvimento nestes processos. Isto é, ao que parece não estão ligados a determinação de novos mecanismos padrão.

O que chamou a atenção de Darwin e outros naturalistas da época no caso do mimetismo foi a sua repetitividade, ou seja, os mesmos padrões evoluíram em espécies distantemente relacionadas. Uma questão chave para os geneticistas especialistas em evolução é saber se os padrões são gerados pelos mesmos mecanismos genéticos, ou por mecanismos diferentes. As borboletas Heliconius são um bom grupo para estudar isso. Heliconius melpomene mimetiza outra espécie, a Heliconius erato por todo o neotrópico. Em qualquer local que se vá, as duas espécies evoluíram padrões idênticos de coloração. Recentemente, em colaboração com os grupos de pesquisa nos EUA pesquisadores mostraram que os “interruptores” de padrão nas duas espécies são controlados pelas mesmas regiões de DNA, de tal modo que os genes estão em locais idênticos no genoma e determinam a banda vermelha e/ou amarelo das asas posteriores. Isto implica que a evolução dos mesmos padrões mimetismo nas duas espécies foi facilitada por um sistema compartilhado geneticamente. A predação contra os padrões anormais de asa dirige a evolução do mimetismo através da seleção natural, um sistema compartilhado de desenvolvimento pode influenciar as matérias-primas em favor de certos tipos de padrões.

Obviamente que a ligação entre a adaptação do padrão das asas e especiação requer mudanças de comportamento. As preferências de acasalamento de populações divergentes precisam evoluir para corresponder a seus padrões de asa e determinar suas respectivas espécies. As experiências de cruzamento realizadas no Panamá mostram que os genes subjacentes a estas mudanças de comportamento estão intimamente associados com genes padrão de cor.

Parece que há “hotspots” no genoma que são susceptíveis a mudança evolutiva, influenciando características tão diversas como padrões das asas e preferências de acasalamento.

A combinação de genética de populações, abordagens de desenvolvimento e comportamento está começando a responder as questões de Darwin e Bates, questões que foram colocadas no alvorecer da biologia evolutiva. Ao longo dos últimos 150 anos, as borboletas Heliconius têm persistido como um exemplo de evolução em ação. Com o seqüenciamento do genoma de Heliconius melpomene a hipótese de Charles Darwin foi corroborada.

O pesquisador Bob Reed publicou na revista Science a descoberta de que o gene Optix é expresso em um padrão completamente correlacionado com padrões de asa vermelha durante o desenvolvimento da pupa. Parte da descoberta havia sido feita por outros pesquisadores, mas Reed usando técnicas de hibridismo mostrou o papel do gene Optix que na realidade atua como um fator de transcrição, ou seja, um gene que regula a expressão de outros genes. Não há diferenças entre as seqüências de codificação Optix em diferentes populações, o que mostra que as alterações regulatórias são á base da diferença de expressão.

Um estudo com Heliconius numata da Amazônia mostrou que essas borboletas apresentam muitos padrões de cores de asas semelhantes aos de outras espécies, como Melinaea, que são intragáveis ​​para aves. Os pesquisadores localizaram e sequenciaram a região cromossômica responsável pelos padrões de asa na H. numata. As variações do padrão da asa dessas borboletas são controladas por uma única região de em um único cromossomo, que contém vários genes que controlam os diferentes elementos do padrão. Conhecido como um ‘supergene’ ou cluster de genes, este agrupamento permite combinações genéticas que são favorecidas por sua semelhança mimética sejam mantidas e evitam combinações que produzem formas não-miméticas. Esses clusters são responsáveis ​​por uma grande variedade de padrões encontradas na natureza, desde as borboletas até em outros seres vivos como a forma de flores, a cor e o padrão de conchas de caracol.

Os pesquisadores descobriram que três versões do mesmo cromossomo coexistem nesta espécie, cada versão controla distintos padrões. Isto resultou em borboletas que parecem completamente diferentes umas dos outras, apesar de ter o mesmo DNA; a isto se dá o nome de plasticidade fenotípica. Agora a ciência esta começando a entender e compreender como esses interruptores genéticos podem ter um efeito tão difundido dentro da biologia dessas espécies.

Alterando apenas um gene, a borboleta é capaz de enganar seus predadores imitando uma variedade de borboletas diferentes impalatáveis. Este cluster também é importante no melanismo em outras espécies, incluindo mariposas. Em abril de 2011, uma equipe liderada pela Universidade de Liverpool explicou na revista Science como a espécie de mariposa Biston betularia desenvolveu suas asas pretas como a fuligem no ambiente do século XIX da Grã-Bretanha industrial. (saiba mais em CÉTICISMO INCOERENTE COM AS EVIDÊNCIAS DA SELEÇÃO NATURAL). O cluster não só permite que os insetos possam realizar o mimetismo, como no caso das Heliconius, mas também se camuflar. É um gene que atua como um mecanismo evolutivo duplo. Outra questão que favoreceu a radiação desse grupo de borboletas foi a preferência alimentar e o comportamento reprodutivo.

A alimentação de pólen é feita em plantas do grupo Cucurbitaceae, Psiguria e Gurania. Esta relação planta/polinizador faz com que 80% do aminoácido dos ovos sejam á base do pólen. Apenas 20% dos aminoácidos adquiridos pelas lagartas são provenientes de outras fontes.

As borboletas sabem os locais onde estão as plantas com pólen e estabelecem eles como sua casa e os visitam em intervalos de tempo. De fato, parece que as plantas com pólen que servem de alimentação tem uma importância muito maior para as borboletas Heliconius do que o local onde fará a postura de ovos. Assim, desde que ela saiba a localização de uma rede de produção de pólen, ela vai permanecer na área.

Heliconius podem se dar o luxo de sentar e ficar parada enquanto sua planta produza pólen, que geralmente ocorre durante o ano todo. Por essa razão tem uma expectativa de vida tão grande, de quase 8 meses na natureza; em cativeiro podem viver até um ano. Além disso, o pólen promove uma longa vida reprodutiva, de modo que as fêmeas podem esperar muitas semanas para a oportunidade de retomar a postura de ovos.

Isso forneceu outra vantagem adaptativa; quase metade das espécies de Heliconius, cerca de 42%, fazem acasalamento por pupa, ou seja, esperando ao lado da pupa a fêmea emergir para se reproduzir assim que emergir como adulta.

Pesquisadores sugeriram que o comportamento de esperar próximo a pupa da fêmea pode desempenhar um papel importante na radiação de Heliconius em habitats locais. Esse comportamento pode aumentar a possibilidade de mimetismo intragenéricos porque em muitos casos, as duas espécies miméticas consistem de um acasalamento de pupa a pupa. As táticas de acasalamento muito diferentes destes grupos poderia permitir que espécies fenotipicamente idênticas ocupassem os mesmos habitats sem erros de reconhecimento na hora de se reproduzir.outro ponto é que esta tática de acasalamento podem influenciar a planta hospedeira a especialização. Os machos de Heliconius tendem a interromper a eclosão de outras espécies de Heliconius caso a postura seja feita em uma planta de sua preferência. Este comportamento agressivo pode impedir outras espécies de evoluir e criar uma preferência a certas plantas hospedeiras, criando assim especificidade.

Victor Rossetti

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Referências.

Butterfly genome reveals promiscuous exchange of mimicry adaptations among species. Nature. 26 October 2011. 
Gene flow persists millions of years after speciation in Heliconius butterflies. BMC Evolutionary Biology 2008, 8:98
Hotspots for evolution’ by Chris Jiggins. 1 Abril, 2009.
Heliconius Home page
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