EVOLUÇÃO DE LEPIDOPTEROS (PARTE III) – COEVOLUÇÃO COM PLANTAS E A ORIGEM/EVOLUÇÃO DA METAMORFOSE SOB A PERSPECTIVA MOLECULAR E DE REGISTROS FÓSSEIS.

Embora o maior período de radiação das angiospermas tenha ocorrido entre 140 e 100 milhões de anos, os dados de fósseis sugerem que a diversificação de lepidópteros primitivos tenha ocorrido essa época e as borboletas se irradiaram muito tempo depois da origem das suas atuais plantas hospedeiras, a cerca de 75 milhões de anos. Nenhum estudo testou os efeitos das inovações importantes na diversificação das borboletas sob uma perspectiva coevolutiva. Para explorar o potencial do papel da coevolução na diversificação das borboletas um grupo de pesquisadores usou a família Pieridae como referência para tal hipótese. Recentes avanços em genômica funcional e filogenia desta família oferecem uma oportunidade única para resolver as controvérsias sobre o estabelecimento de plantas hospedeiras em determinados grupos de borboletas. Os Pieridae usam três principais grupos de plantas hospedeiras: as Fabales (Leguminosas), os Brassicales (plantas com glucosinolatos como as couves e Arabidopsis), e viscos. A reconstrução filogenética de Pierideos é bem compreendida e foi construída com quase 90% dos gêneros do grupo. Pieridae tem 74 gêneros reconhecidos, mais 6 subgêneros e sua filogenia foi baseada em em 1066 pb do gene EF-1. Os resultados dessa filogenia indicam que a alimentação em Fabales é o estado ancestral de Pieridae. As borboletas que se alimentam de Fabales são as Dismorphiinae e uma grande quantidade de Coliadinae, enquanto seu grupo irmão os Pierinae alimentam-se principalmente de Brassicales. Dentro Pierinae, há dois grupos derivados que se alimentam dos glucosinolatos e outras espécies. Assim, o Pierinae representa uma única origem de alimentação baseada em glucosinolatos.

Tabela 1

O aspecto evolutivo das Brassicales apresentou um desafio novo para insetos herbívoros, conhecido como sistema glucosinolatos-myrosinase. Todos Brassicales tem este sistema, que é uma das melhores e mais amplamente estudados defesas químicas de plantas. Um dano tecidual na planta faz a enzima mirosinase entrar em contato com glucosinolatos não tóxicos, que passa por um processo de hidrolise e gera produtos de degradação tais como isotiocianatos. Esses componentes químicos muitas vezes são usados pelo homem por exemplo em condimentos como a mostarda e o wassabi. São bem conhecidos por serem altamente tóxicos para muitos insetos herbívoros.

Abordagens genômicas identificaram dois mecanismos independentes de desintoxicação em lepidópteros para o sistema de defesa glucosinolatos-myrosinase em níveis bioquímicos e moleculares; por meio de abordagens funcionais de genômica, começando com sulfatase glucosinolatos na mariposa Plutella xylostella (Plutellidae) em que desulfates glicosinolatos produzem metabólitos que já não atuam como substratos para myrosinases. O segundo, chamado proteína nitrílica especificadora que foi recentemente identificado na borboleta Pieris rapae, cuja proteína nitrílica se expressa unicamente no “intestino” da lagarta.

Esses mecanismos de desintoxicação são diferentes uns dos outros, bem como outros mecanismos de desintoxicação de plantas hospedeiras identificadas em outros Lepidóptera como as mono-oxigenases do citocromo P450 da superfamília de genes em borboletas Papilio e a mono-oxigenase dependente do sistema flavina em mariposas da família Arctiidae e em Tyria jacobaeae usado contra alcolóides pirrolizidínicos.

Dados fósseis e moleculares concordam que os Brassicales apareceram por volta de 90 e 85 milhões de anos que é muito mais cedo do que a evolução paralela de glucosinolatos em Euphorbiaceae datada em 58 milhões de anos. Fósseis de Pierinae com parentes modernos que se alimentam de Brassicales surgiram entre 50 e 34 milhões de anos após os primeiros Brassicales fósseis. Apesar da pouca quantidade de fósseis de borboleta eles podem fornecer estimativas mínimas temporais. Então um estudo realizado no instituto Max Planck em 2007 na Alemanha fez uma análise temporal usando dados moleculares do citocromo oxidase I (COI) e o fator de alongamento estabeleceu uma filogenia nova com duas e três estimativas temporais diferentes. Primeiro, um comparação seqüência COI de Colias eurytheme (Coliadinae) e Pieris napi (Pierinae) estimou-se o tempo de sua divergência em 89,12 e 96,32 milhões de anos. Estes dados derivam de estimativas a partir da taxa de substituição média de 0,022% por milhão de anos para COI segundo dados da posição calibrados por fósseis e a partir de dados segundo a posição 1 em COI calibrado em fósseis de borboletas dentro do Nymphalinae subclado Nymphalidae. Em segundo lugar, foram comparadas a distancia de EF-1 entre representantes de Coliadinae e Pierinae temporalmente calibrados por membros das famílias Nymphalidae e Papilionidae. Amostras Papilionidae foram calibradas usando eventos biogeográficos de vicariância inferidas durante a separação de Gondwana conforme visto no texto anterior. A taxa de evolução molecular dos genes EF-1 dos grupos são similares entre essas famílias, como Nymphalidae e Papilionidae são clados próximos de Pieridae e comparações a distância sugerem que Coliadinae divergiu Pierinae entre 62 e 82 milhões de anos.

O modelo temporalmente mais conservador prediz o aparecimento de Pieridae com um intervalo de confiança de 95% de 166 para 79 milhões de anos que concorda com as estimativas baseadas relógio moleculares, em especial a origem datada em quase 80 milhões de anos apresentada na primeira parte deste texto. O uso de glucosinolatos por Pierinae mostrou uma divergência com Coliadinae através da origem das Brassicales a provavelmente 10 milhões anos.

A evolução do gene de desintoxicação de glucosinolatos foi uma novidade que acabou facilitando a mudança da planta hospedeira dos ancestrais Pierinae de Fabales para Brassicales. Essa mudança de planta hospedeira teve conseqüências macroevolutivas. A análise do clado deste estudo com Pieridae demonstra que apenas os Pierinae que se alimentavam de glucosinolatos tinham atividade da proteína nitrílica especificadora indicando uma única base mecanicista da alimentação de glucosinolatos originário dentro do grupo Pierinae. Esta mudança de hospedeiro também resultou em aumento significativo do processo de especiação dos clados relacionados. Juntos, esses resultados fornecem um forte apoio para o princípio de Ehrlich e a coevolução proposta por Raven que afirma que a chave das inovações bioquímicas fomentam o aumento da especiação. Ancestrais de borboletas Pieridae não forneceram a pressão inicial na evolução da química de defesa das Brassicales, nem estão exercendo pressão o suficiente para a continuar a evolução do sistema de glucosinolatos-mirosinase dos Brassicales. No entanto, a análise genômica funcional comparativa do sistema de glucosinolatos-mirosinase na família Brassicaceae revela a evolução contínua em resposta à pressão da herbivoria. Várias enzimas, com variação alélica estão envolvidas na biossíntese de diversas estruturas de glucosinolato e concentrações relacionadas. Assinaturas de seleção positiva no nível molecular foram identificados nestes genes e mostraram que ele está passando por duplicação, especialmente de genes ligados a neo-funcionalização documentando a evolução em curso no nível metabólico de glucosinolatos. Assim, a inovação inicial, que provavelmente facilitou a fuga de Brassicales  da pressão da herbivoria continua a evoluir em linhagens derivadas. Os Papilionidae e em especial o gênero Papilio se alimenta de plantas contendo defesas químicas baseadas na substancia furanocoumarina sintetizadas por centrais que utilizem os membros do citocromo P450 da superfamília das mono-oxigenases. A diversidade das borboletas Papilio aumenta com a diversidade de furanocoumarina da planta hospedeira. Curiosamente, ambas furanocoumarina induzem a desintoxicaçao  utilizando outros membros da superfamília do citocromo P450. Participação do citocromo P450 em ambos os lados da interação planta/inseto destaca as diversas funções de membros funcionais deste jogo de superfamílias de genes em resposta a questão ambiental. De fato, a mariposa da família Noctuidae chamada Helicoverpa (que diverge das borboletas Papilio em cerca de 100 milhões de anos) usa independentemente outros P450s para desintoxicar furanocoumarina, destacando a repetibilidade do papel deste gene na desintoxicação. O citocromo P450s também faz parte da via de síntese de glucosinolatos em plantas Brassicales. Curiosamente, em lepidopteras especializados em glucosinolatos, apenas os novos mecanismos moleculares discutidos no artigo foram identificados, o que reforça ainda mais a proposta.

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A origem da Metamorfose

Donald Williamson, ao estudar a metamorfose de insetos acreditava que a borboleta resultava de um acasalamento acidental entre duas espécies ancestrais diferentes, uma que vivia no solo e outra que voava. Registros fósseis que retratam a origem ou que evidenciam a origem e evolução da metamorfose em borboletas e insetos são extremamente raros, mas existentes. Entretanto, recentemente biólogos criaram uma narrativa plausível sobre a origem da metamorfose dos insetos, e desde então permanecem revendo as novas informações a partir do genoma e suas hipóteses compatíveis. Os primeiros insetos na história da Terra não realizavam a metamorfose. Eles eram provenientes de ovos, como adultos em miniatura. Entre 300 e 280 milhões de anos, alguns insetos começaram a amadurecer um pouco diferente. Eles eclodiam com o comportamento e forma diferentes dos adultos. Essa mudança revelou-se extremamente benéfica do ponto de vista evolutivo, especialmente no que diz respeito a disputa pelos recursos de um determinado habitat e seu nicho. Os insetos jovens e velhos não competiam pelos mesmos recursos devido ao novo tipo de desenvolvimento. A metamorfose foi tão bem sucedida que, hoje, cerca de 65% de todas as espécies animais do planeta são insetos que fazem metamorfose. Isso quer dizer que a metamorfose não é um evento excepcional na natureza, mas muito mais comum do ponto de vista biológico. Considerando que os insetos podem ser responsáveis ​​por 80 ou 90% de todas as espécies animais, a questão é compreender como esse tipo de desenvolvimento baseado em uma reconstrução anatômica completa se originou evolutivamente.

Em 1651 o médico inglês William Harvey publicou um livro no qual propôs que as lagartas e larvas de insetos foram embriões de vida livre abandonados em locais pobres em nutrientes, e por serem disponibilizados nesses locais faziam metamorfose. Assim, os ovos perfeitos seriam as pupas, um tipo de segundo ovo. Por isso davam origem aos adultos. Harvey argumentou ainda que o estagio de pupa era um segundo ovo em que o embrião prematuramente chocado nascia de novo. Em 1669, o biólogo holandês Jan Swammerdam rejeitou a noção de Harvey da pupa como um segundo ovo e a borboleta como um animal diferente do que a lagarta. Swammerdam dissecou todos os tipos de insetos sob um microscópio e mostrou que se poderia encontrar uma traça imatura e partes do corpo de borboleta dentro de uma larva, antes mesmo dela formar o casulo. Um desses estudos anatômicos feito por ele foi com o bicho-da fase, a fase larval da mariposa Bombyx mori, que revelou as asas rudimentares. Os biólogos sabem que essas estruturas adultas surgem a partir de grupos de células chamadas de discos imaginais, que forma-se primeiro no embrião do inseto e se desenvolve em seu ovo. Em algumas espécies, os discos imaginais permanecem em grande parte na fase dormente da pupa, durante a qual posteriormente se proliferam rapidamente e dão origem as pernas dos adultos, bem como as asas e olhos. Em outras espécies, os discos imaginais dão forma as partes do corpo antes de o inseto adulto pupar.

Swammerdam também reconheceu que nem todos os insetos fazem a metamorfose desta maneira e propôs quatro tipos de metamorfose que os biólogos mais tarde disponibilizaram em três categorias; Ametabolos insetos sem modificações durante o desenvolvimento; Hemimetabolos, ou metamorfose incompleta e Holometabolos, ou metamorfose completa.

A metamorfose completa provavelmente evoluiu de metamorfose incompleta, isto é consenso acadêmico. Os mais antigos insetos fossilizados são muito parecidos com os ametabolos modernos e os hemimetabolos têm seus filhotes parecidos com adultos. Os fósseis que datam até 280 milhões de anos atrás, no entanto, registram o surgimento de um processo de desenvolvimento diferente. Nessa época, alguns insetos começaram a eclodir de seus ovos não como adultos minúsculos, mas como criaturas vermiformes com corpos gordos e muitas pernas minúsculas. Em Illinois, por exemplo, os paleontólogos descobriram um inseto que parece um cruzamento entre uma lagarta e um grilo, com cabelos longos revestimento de seu corpo. Ele viveu em um ambiente tropical e, provavelmente, seu microclima era a serapilheira. Não se sabe o que definitivamente fez com que alguns insetos começassem a eclodir em forma larval, mas Lynn Riddiford e James Truman da Universidade de Washington em Seattle tem uma das teorias mais abrangentes. A ideia é que a fase pró-ninfa se originou para o estágio larval de metamorfose completa. Talvez 280 milhões anos atrás, através variações genômicas e/ou endócrinas algumas pró-ninfas não conseguiam absorver toda a gema de seus ovos, deixando um precioso recurso não utilizado. Em resposta a esta situação desfavorável, algumas pró-ninfas tiveram uma nova aptidão, a capacidade de se alimentar até a gema extra ainda dentro do ovo. Se essas pró-ninfas surgiam a partir os ovos antes de chegar à fase de ninfa teriam sido capaz de continuar a alimentar-se no mundo exterior. Ao longo das gerações, esses insetos “infantilizados” podem ter permanecido em uma fase pró-ninfa prolongada, crescendo com uma dieta especializada em frutas, folhas em vez de néctar ou outros insetos menores. Eventualmente, pró-ninfas e pré-púberes tornaram-se larvas que se assemelhavam as lagartas modernas. Desta forma, a fase larval da metamorfose completa corresponde à fase de ninfas de pró-metamorfose incompleta. A fase de pupa surgiu mais tarde, como uma espécie de fase de ninfa condensada que catapultou as larvas em suas formas adultas aladas sexualmente ativas. Algumas evidências anatômicas, hormonais e genéticas suportam esse cenário evolutivo. Anatomicamente, pró-ninfas têm muita coisa em comum com as larvas de insetos que sofrem metamorfose completa: ambos têm corpos moles, ausência do exoesqueleto escamoso e possuem sistemas nervosos imaturos. Um gene chamado Broad é essencial para completar a metamorfose e a fase de pupal. Se este gene for desligado, uma lagarta nunca forma uma pupa e não se tornar uma borboleta. Esse gene é importante para a muda durante a fase de ninfa e metamorfose incompleta corroborando a equivalência de ninfa e pupa. Da mesma forma, pró-ninfas e larvas têm altos níveis de hormônio juvenil (HJ), que é conhecido por suprimir o desenvolvimento de características adultas. Em insetos que sofrem metamorfose incompleta os níveis de HJ caem antes das mudas de pró-ninfa na ninfa. Na metamorfose completa, no entanto, o HJ continua a inundar o corpo da larva até pouco antes de pupa. A evolução da metamorfose incompleta para metamorfose completa certamente envolve o ajuste genético deste gene e do hormônio que banha o embrião mais cedo do que o habitual e manteve os níveis altos por um tempo anormalmente longo. No entanto, a metamorfose evoluiu, os números enormes de insetos que fazem metamorfose evidenciam seu sucesso reprodutivo.

Uma das explicações sobre a origem da metamorfose hoje foi reformulada por James Truman e Lynn Riddiform do Departamento de zoologia da Universidade de Washington. Ela foi criada inicialmente por Berlese em 1913 e hoje esta sendo considerada coerente com as evidências. Os autores notaram uma semelhança entre diferentes formas do corpo das larvas e nas transições morfológicas que ocorrem durante a embriogênese de insetos hemimetabolous. Eles propõem que a larva de holometábolo surgiu através de um processo de desembrionização de modo que a larva teve essencialmente uma vida livre. A incubação prematura pode ter sido causada por uma redução da quantidade dos nutrientes armazenados no ovo, então a eclosão em momentos diferentes pode ter gerado uma diversidade de formas larvares ao longo do tempo. A hipótese é que a fase de pupa surgiu como a disparidade entre larva e adulto alargado. Uma análise da endocrinologia do desenvolvimento embrionário e pós-embrionário sugere que as raízes da metamorfose podem ser encontradas em etapas do embrionário. A ideia é que a evolução da metamorfose se concentra em uma fase correspondente nos insetos ametabolos e hemimetabolous. Nos ametabolos, como os Tisanura, essa fase dura de 3 a 4 dias depois da eclosão. No grupo dos hemimetabolous a pró-ninfa torna-se menos evidente. Em ordens basais de hemimetabolous, como os gafanhotos, o estágio de pró-ninfa dura apenas alguns minutos (ou algumas horas) depois da eclosão. Em ordens derivadas de hemimetabolos (como percevejos e piolhos) o desprendimento da cutícula pró-ninfal ocorre durante a incubação.

O que o estudo propôs é que o estagio de pro-ninfa, ninfa e adulto dos hemimetabolos tem correspondência evolutiva com o estagio de ninfa, pupa e adulto dos holometábolos como as borboletas. Segundo o estudo, os estágios de ambos os tipos de metamorfose são homólogos, apenas diferem em alguns aspectos. As pró-ninfas tem suas proporções corporais diferentes daqueles da ninfa, e provavelmente refletem um compromisso com o desenvolvimento de longos apêndices dentro do espaço do ovo. Sua cutícula tem uma ultra-estrutura distinta. As suas mandíbulas são tipicamente não esclerotizadas e podem possuir dispositivos para a incubação especializada. O embrião começa a secretar a sua cutícula pró-ninfal durante o fechamento dorsal quando alcança seu tamanho máximo (cerca de 48 ± de 60% da sua embriogênese). Embora os embriões possam secretar sua cutícula antes de este tempo a cutícula pró-ninfal é a primeira a ser coordenada pela atividade muscular.

Diante dito, o estudo afirma que a pró-ninfa dos hemimetabolous tornou-se a larva dos holometábolos. Para suportar essa ideia os autores pontuaram as semelhanças anatômicas, semelhanças do desenvolvimento embrionário e estabeleceram uma filogenia baseada nesse desenvolvimento.

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Esta relação evolutiva proposta mostra um número de semelhanças entre algumas etapas; em embriões de holometábolos a secreção da cutícula larval do primeiro instar começa por volta do momento onde há o fechamento dorsal que corresponde ao tempo da secreção de cutícula da pro-ninfa dos hemimetabolos; a cutícula do corpo larval geralmente é suave e carece de escleritos, semelhante à da pró-ninfa; e por fim e mais especifico, o sistema nervoso sensorial da fase larval também extrema semelhanças com o das pró-ninfa. No início da fase da pró-ninfa o embrião de gafanhoto tem um conjunto estereotipado de neurônios nascidos em cada segmento e apêndice. Alguns destes neurônios são pioneiros em fornecer as vias que são utilizadas no crescimento dos axônios sensoriais do sistema nervoso central das ninfas. Vale ressaltar que os neurônios sensoriais na parede do corpo de larvas recém-nascidas de Drosophila e da traça Manduca sexta correspondem a este conjunto inicial de células. Da mesma forma, o pequeno número de neurônios sensoriais que são encontrados nos apêndices de larvas são homólogos ao conjunto de neurônios pioneiros no início da fase pró-ninfal em espécies hemimetabolas. Na pró-ninfa, alguns destes neurônios aparentemente morrem depois de completar a sua função. Nas larvas, em contraste, espera-se que estas células sobrevivam como sistema sensorial larval. No entanto, eles morrem após a metamorfose depois de ajudar a orientar os axônios sensoriais dos adultos no sistema nervoso. Portanto, em vez de ser uma condição derivada, os sistemas sensoriais reduzidos de larvas de holometábolos parece ser uma condição primitiva que foi compartilhada com as pró-ninfas. Isso indica que a mudança de secreção do hormônio durante a embriogênese pode ter sido fundamental para mudar a fase de transição pró-ninfal para um estagio larval estável.

Fisiologia de hemimetabolos e holometabolos

O padrão de crescimento alar também tem implicações para a relação do pró-ninfa da larva. É geralmente considerado que os primórdios alares crescem como botões de invaginações em ninfas de hemimetabolos e discos de invaginação alar em larvas de holometábolo. Em insetos hemimetabolous, os brotos laterais normalmente aparecem no primeiro ou segundo instar ninfal e aumentam de tamanho com mudas posteriores. O aparecimento de gemas laterais nos primeiros instares também é evidente em fósseis de hemimetabolos e ametabolous, por isso parece ser uma característica onipresente em insetos hemimetabolos extintos e modernos. Se a larva foi derivada da ninfa, então temos de concluir que essa capacidade de formar e crescer os primórdios alares em estágios de ninfa pré-terminal foi perdida no ancestral dos holometábola, mas foi readquirido após a metamorfose evoluir. No entanto, se a pró-ninfa tornou-se a larva, então das larvas seria esperado a falta dos primórdios alares, como descrito em todas as pro-ninfas que faltam estas estruturas. Os primórdios alares formariam no final do crescimento das larvas quando a etapa de ninfas (pupa) foi finalmente alcançada. Eles formaram no último instar larval, e ainda podem ter se formado como estruturas de invaginação como é evidente em algumas larvas de hoje que têm o padrão de formação ancestral de asa. Invaginação provavelmente se tornaram o modo corrente de formação para estes primórdios porque há mais espaço na cavidade do corpo para o crescimento de uma grande estrutura semelhante a um disco de asa. Invaginação seria essencial para o crescimento dos primórdios alares ter se deslocado para os primeiros estágios larvais.

A hipótese para a evolução da metamorfose baseia-se na premissa de que os insetos basais tinham três formas de vida distintas: pró-ninfa, ninfa e adulto. Assim, o estudo averiguou que estes são diretamente comparáveis aos estágios larvais, pupa e adulto dos holometabolos.

Outro estudo feito por Xavier Belles do Institute of Evolutionary Biology em 2011 tratou de aprofundar as evidências dessas afirmações e estudou a fundo sob a perspectiva dos genes. Na maioria dos casos, o primórdio dos órgãos dos adultos (asas, pernas, olhos, órgãos genitais) são originados dentro da larva a partir dos discos imaginal. Os holometábolos mais estudados e compreendidos são os Coleoptera, Hymenoptera, Lepidoptera e Diptera. Para tal estudo, foi feita uma análise comparativa, então grande parte do que se sabe a respeito da evolução da metamorfose sob seus aspectos fisiológicos, genéticos e evolutivos é baseado na dinâmica de atuação dessas características entre os diversos animais holometábolos em comparação com a condição metamórfica ancestral, ou seja, hemimetabola. Assim, é comum os estudos que visam explicar a evolução da metamorfose de borboletas por exemplo, ser feito de forma comparativa a outros grupos de animais. Em alguns grupos biológicos passam por diferentes estágios de desenvolvimento, em alguns animais este estagio é mais pronunciado e as larvas passam por notáveis mudanças nos estágios sucessivos antes atingir a fase de pupa. É o fenômeno conhecido como hipermetamorfose. Nesses casos as alterações estão relacionadas com os hábitos muito especializados dos predadores ou com estilos de vida parasitários. Talvez os melhores exemplos venham dos Neuroptera (Mantispidae) e vários Coleopteras.

Os hemimetabolos eclodem em forma de ninfa, com um morfologia semelhante à dos adulto, e crescem progressivamente através de um certo número de mudas até o último instar, a qual é seguida pela fase adulta. Em Odonatas (libélulas) e Ephemeroptera, que são dois grupos monofiléticos cuja metamorfose é essencialmente hemimetabola, as ninfas tem estágios diferentes. As ninfas de Odonata são aquáticas e morfologicamente muito diferentes dos adultos.

O desenvolvimento pós-embrionário de Ephemeroptera consiste em uma série de fases de ninfa semelhante ao adulto, mas sem asas desenvolvidas. No último instar, a ninfa transforma em seu estagio subimaginal as asas funcionais, mas sem capacidades de reprodução, que é seguida pelo perfeito adulto, alado e reprodutivamente competente. Este caso particular de desenvolvimento tem sido categorizado como prometabolia. Os insetos têm um exosqueleto rígido e devem fazer varias mudas para crescer pois é ela a de toda a metamorfose, uma vez que as transformações nestes pontos do desenvolvimento. O hormônio de muda tem uma estrutura ecdisteroidal e durante as fases juvenis é sintetizado pelas glândulas protorácicas.

Ecdizona

Para o fim de cada fase a produção de ecdiesteróide aumenta rapidamente, atinge valores máximos e depois diminui permanecendo baixo até que o próximo ciclo de muda. Este aumento está associado com as divisões que ocorrem na epiderme. As células, então ocorre a separação da cutícula velha e o início da secreção de uma nova seguida da parte final que coincide com o pico da ecdise, onde libera a exuvia. Outro fator endócrino crucial na metamorfose do inseto é o hormônio juvenil que tem uma estrutura de terpenóide e é sintetizada pela corpora allata. Durante as mudas juvenis os níveis de HJ são elevados. Na fase pré-adulta caem drasticamente até ser praticamente não detectável. O HJ tem um papel repressor mediante metamorfose, e sua ausência determina que ela ocorra. A produção hormonal da muda que ocorre nas glândulas protorácicas é controlada por hormônios protoracicotropico que têm uma estrutura polipeptídica enquanto que o de HJ no corpora Allata é regulado por peptídeos alatotrópicos e alatostáticos. Também são importantes os hormônios peptídicos envolvidos na regulação da ecdise e aparecimento da muda e exuvia. A ecdise é um processo complexo formado pela pré-ecdise, ecdise e pós-ecdise que são controlados por uma cascata de hormônios peptídicos a partir das células inka, e os neuropeptídeos a partir do sistema nervoso central. Células inka produzem então esses hormônios pré-ecdise e ecdise ativando uma seqüência iniciada pelo hormônio da eclosão através de um receptor por meio de ações mediadas de neurônios específicos. Suportando a hipótese de que a metamorfose holometábola é resultado da alteração de padrão na qual hormônios regulam estes processos é possível conseguir pistas a respeito de como tal processo se originou. Foi exatamente isto que o Xavier Belles averigou em seu estudo. O hormônio de muda mais comum é o ecdiesteróide 20-hidroxiecdisona, e o seu efeito é mediado por uma cascata de fatores de transcrição. Após a ligação ao seu receptor heterodimérico formado por duas porções, o receptor de ecdisona (ECR) e o ultraspiracle (USP ou RXR), ativa a expressão de uma hierarquia de fatores de transcrição (estes: HR3, HR4, HR39, E75, E78, ZLC-F1…) que regulam a expressão dos genes alvo subjacentes às mudanças celulares associadas a muda e a metamorfose. A maioria dos dados relatados nesta cascata de transcrição foram estudados e Diptera como a Drosophila melanogaster. Estudos filogenéticos apontam que a barata (Blattaria) Blattella germanica é um inseto basal do grupo dos holometábolos, indicando que os fatores de transcrição envolvidos na sinalização de 20-hidroxiecdisona são extremamente bem conservados embora os detalhes da precisão hierárquica e epistática entre os genes possa diferir ligeiramente entre hemimetabolos e holometabolos. Isso reforça a ideia de que holometábolos emergiram como um grupo a partir dos hemimetabolos.

Os mecanismos moleculares que controlam a atuação fisiológica do HJ são muito pouco conhecidos. No entanto, tem sido demonstrado que o fator de transcrição Methoprene tolerante (Met) e o Kruppel homólog I (Kr-h1) estão envolvidos na transdução do sinal em HJ no contexto da metamorfose pelo menos nos holometábolos D. melanogaster e Tribolium castaneum (Coleoptera). Os dados sugerem que Met pode desempenhar o papel de receptor de HJ, enquanto que Kr-h1 pode estar envolvido na transdução do sinal precoce do HJ ajustando o Met. Experiências recentes demonstraram a ocorrência de um novo nível de regulação governado por micro ácidos ribonucleico (RNAmic), que são RNAs de aproximadamente 22 nucleotídeos que desempenham uma ação geralmente reprimindo RNAs mensageiro. Usando a interferência de RNAi em B. germanica, pesquisadores silenciaram a expressão da enzima Dicer-1 que é essencial para a formação de microRNAs no último estádio ninfal. Micro RNAs são cruciais na metamorfose do inseto, pelo menos em hemimetabolos e o experimento demonstrou que essa alteração prejudicou a produção de micro-RNAs, e os insectos experimentais em vez de fazer a muda e entrar em estágio adulto acabou se transformando em ninfas supernumerarias.

Um importante grupo de fatores de transcrição envolvido na metamorfose é a conhecido como Broad – Complex (BR-C). Essa família de fatores de transcrição é especialmente interessante porque têm diferentes formas de ação em hemimetabolas e holometabolos. Estudos em D. melanogaster e a lepidópteros Manduca sexta e Bombyx mori demonstraram que os fatores BR-C são essenciais para a transformação do último instar de larvas em pupas. Em T. castaneum e plecopteros da espécie Chrysopa perla que são filogeneticamente holometabolos basais os fatores BR-C também são cruciais para diferenciação de pupa. Experiências feitas com RNAi em hemimetabolan Oncopeltus fasciatus (Heteroptera) sugerem que os fatores de transcrição BR-C controlam a morfogênese através das sucessivas mudas da ninfa. O que está claro é que a partir desses dados o crescimento dos botões de crescimento das asas botões em O. fasciatus depende da expressão de fatores de BR-C.

Curiosamente, o estimulo hormonal é diferente em holometabolos. Nestes, a situação é bastante simples, embora haja flutuações na atuação possivelmente relacionadas com os picos de indução de ecdisteroides e muda. Os fatores BR-C são expressos ao longo das fases de ninfa jovens e a expressão só declina no último estádio ninfal. Na barata B. germanica seis fatores de transcrição BR-C são relatados. Durante o último estádio de ninfas de B. germânica, existe um pequeno pico de expressão BR-C em torno do pico de ecdisona que é produzido na ausência de HJ e que podem ser fisiologicamente relevantes no contexto da muda adulta.

Atuação do BR-C na metamorfose

Atuação do BR-C na metamorfose

No desenvolvimento pós-embrionário dos holometabolos D. melanogaster, M. sexta e B. mori, os fatores BR-C são expressos após um pequeno pico de ecdisona produzido na ausência de HJ no fim do último instar larvar. Nessas condições hormonais, fatores BR-C aparecem no final da fase de alimentação na epiderme de larvas no último instar de M. sexta e o inseto começa com a diferenciação pupal. O mais interessante é que a administração exógena de HJ nesta etapa evita que o ecdisteróide induza a expressão do BR-C.

Os níveis de BR-C diminuem durante a fase de pupa induzindo-as a transformar em um adulto. Em pupas que passaram também por esta administração exógena de HJ houve a re-expressão de BR-C e o inseto sofre uma segunda muda de pupa. Isso evidencia que grande parte da evolução dos holometábolos esta ligada ou na atuação do HJ, dos fatores BR-C ou de ambos. Estas observações indicam que os fatores de transcrição BR-C determinam também a transição de larvas para pupas. Estudos RNAi em T. castaneum indicam que os fatores BR-C são cruciais para a formação de pupas também neste holomatabolo que é basal na filogenia. Além disso, estes estudos sugerem que os fatores BR-C também são importantes para prevenir o desenvolvimento de adultos. Quando BR-C tem sua atuação reduzida as larvas não só mostram características intermediárias entre larvas e pupas como também um certo número de características de adulto. Isso sugere que o hemimetabolos mantém o crescimento de ninfas, especialmente dos gomos iniciais das asas com as altas concentrações de HJ que induzem a expressão da BR-C e que faz a muda na fase adulta quando a concentração de HJ e expressão BR-C diminuem no último instar ninfa. A pequena “explosão” de expressão observada no último instar da ninfa de B. germânica sugere que os fatores BR-C ainda podem ter uma função na muda adulta.

Os holometabolos percorrem os estágios larvais na presença de altas concentrações de HJ, mas com baixa expressão do BR-C ou até mesmo ausente. Só no fim do último instar larval um pequeno pico na ecdisteróide ocorre na ausência de HJ e determina o aparecimento da expressão BR-C. A partir deste momento, a regulação hormonal é semelhante ao dos hemimetabolos. Quando os níveis de HJ diminuir nas pupas, a expressão dos fatores de transcrição BR-C também diminuem e as mudas de insetos ocorrem na fase adulta.

Curiosamente, a expressão BR-C mostra um pequeno pico nos primeiros dias do estádio de pupa, que é uma reminiscência do que é observado no último estádio de ninfas de B. germânica. As propriedades inibidoras do HJ mediante a expressão BR-C no último estagio ninfal de M. sexta quando se comprometem a diferenciação de pupa específica em holometabolos. Estas observações sugerem que holometabolos mantém em baixo os níveis de expressão BR-C durante a vida das larvas, devido ao elevado níveis de HJ, e do ponto de vista evolutivo as propriedades inibitórias de HJ sobre a expressão do BR-C nos estádios imaturos de holometabolos pode ter sido uma inovação muito importante na transição da hemimetabolia para holometabolia.

Do ponto de vista paleontológico, os primeiros insetos alados apareceram no Paleozóico. Estratos do Carbonífero (cerca de 350 milhões de anos) apresenta uma notável diversidade de espécies fossilizadas com asas funcionais. Os fósseis indicam que os Apterygota primitivos e o primeiro insetos alados foram ametabolos. No final do Carbonífero e início do Permiano (aproximadamente 300 milhões de anos) praticamente todos os Pterygota mostravam um desenvolvimento pós-embrionário dividido em estágios de ninfa, com pequenas transições metamórficas entre eles e terminando numa fase adulta indicando que a hemimetabolia já havia surgido. Os primeiros fósseis de insetos que podem ser considerados holometabolos aparecem nos estratos do Permiano (aproximadamente 280 milhões de anos). De acordo com os últimos estudos filogenéticos os Endopterygota (Holometabola) são monofiléticos, o que sugere que a inovação da holometabolia apareceu apenas uma vez. Estes estudos também mostram que o grupo irmão dos Endopterygota são os Paraneoptera, cujas espécies são hemimetabolas, mas inclui uma série de grupos neometabolan. A mais parcimoniosa hipótese é considerar que os holometabolos teriam se originado a partir de ancestrais hemimetabolos. Além disso, a metamorfose neometabola sugere que a pupa pode não ser como uma inovação excepcional dentro dos holometábolos, mas que uma ninfa relativamente semelhante ao adulto do antepassado de Endopterygota + Paraneoptera, poderia explicar a origem e evolução dos holometabolos favorecendo as modificações morfológicas e fisiológicas dos estádios juvenis permitindo a exploração de novos recursos e nichos.

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Referências

Christopher W. Wheat*†‡, Heiko Vogel*, Ute Wittstock*§, Michael F. Braby, Dessie Underwood**, and Thomas Mitchell-O. The genetic basis of a plant–insect coevolutionary key innovation. PNAS [1] December 18, 2007 [1] vol. 104 [1] no. 51 [1] 20427–20431
Deniz F. Erezyilmaz. Imperfect eggs and oviform nymphs: a history of ideas about the origins of insect metamorphosis. Oxford JournalsLife Sciences Integrative and Comparative Biology Volume 46, Issue 6Pp. 795-807  
Ferris Jabr. How Did Insect Metamorphosis Evolve? Scientific American. Evolution August 10, 2012.
James W. Truman & Lynn M. Riddiford. The origins of insect metamorphosis. Department of Zoology, University of Washington. Nature 401, 447-452 (30 September 1999)
James W. Truman and Lynn M. Riddiford. ENDOCRINE INSIGHTS INTO THE EVOLUTION OF METAMORPHOSIS IN INSECTS. Department of Zoology, University of Washington, Seattle. Annual Review of Entomology. Vol. 47: 467-500 (Volume publication date January 2002)
Jarmila Kukalova-Peck. Origin and evolution of insect wings and their relation to metamorphosis, as documented by the fossil record. Journal of Morphology. Volume 156, Issue 1, pages 53–125, April 1978

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