Unitatea Ecologie și Evoluție

ecologie

De asemenea, consultați pagina noastră de laborator pentru date, metode, blog și o notă mai personală.

Scopul nostru general este de a înțelege interacțiunea dintre genom și mediu. Am profitat de infrastructura excelentă și de finanțarea generoasă disponibilă la OIST pentru a explora modul în care instrumentele analitice de nouă generație pot fi utilizate pentru a răspunde la o gamă largă de întrebări fundamentale în ecologie și evoluție. Deoarece progresele tehnologice au egalizat condițiile de joc, scăzând diferența de analiză posibilă pentru sistemele model și non-model, suntem interesați în special de a lucra cu organisme neobișnuite, a căror biologie unică pare cea mai potrivită pentru întrebările la îndemână. Principalele noastre proiecte de cercetare se concentrează în prezent pe înțelegerea (a) mecanismelor genetice implicate în determinarea castelor sociale de insecte, (b) explorarea consecințelor genetice ale interacțiunilor co-evolutive dintre simbionți, (c) înțelegerea interacțiunii dintre timp, geografie și structura genomică . De asemenea, suntem interesați să dezvoltăm noi instrumente de secvențiere de nouă generație pentru a ne facilita cercetarea.

Mecanisme genetice de diferențiere a castelor la insectele sociale

Viața pe Pământ a suferit mai multe progrese majore în complexitatea biologică. Prima și cea mai importantă dezvoltare a fost originea organismului din celule unice. În toate organismele multi-celulare unele celule renunță la reproducere, acționând ca un vehicul pentru perpetuarea altora. Organismele pot forma societăți, de obicei afaceri destul de flexibile, formate din indivizi fără legătură. Cu toate acestea, unele societăți au devenit „superorganisme”, în care anumiți indivizi renunță la drepturile de reproducere în beneficiul câtorva reproduceri. Deși multicelularitatea a evoluat o singură dată în istoria vieții, eusocialitatea a evoluat în mod repetat în multe linii de nevertebrate și chiar la mamifere. Organismele eusociale, cum ar fi furnicile, albinele și viespile, sunt componente dominante ale aproape fiecărui ecosistem. Succesul lor se datorează direct comportamentului lor social.

Există numeroase mecanisme de control în celule unice dintr-un organism care le obligă să coopereze. Selecția naturală, care este aproape miopă, poate selecta celulele care proliferează în detrimentul vecinilor lor care se comportă bine și pot duce la boli precum cancerul. În consecință, multe cercetări au fost dedicate înțelegerii mecanismelor de control al proliferării celulare. În mod similar, există mecanisme în vigoare pentru a regla funcționarea superorganismelor. Aceleași tipuri de conflicte care pot provoca cancer pot duce, de asemenea, la evoluția unui comportament social aberant, cum ar fi parazitismul și chiar fenomene mai ciudate. Cu toate acestea, știm încă relativ puțin despre fundamentele genetice ale comportamentelor eusociale.

Mai exact, suntem interesați să explorăm baza genetică a castelor la furnici. De asemenea, suntem interesați să folosim biprodusele evolutive ale sistemelor de castă pentru a aborda întrebări mai generale.

Utilizarea determinării genetice a castelor (GCD) pentru a înțelege comutatorul care controlează diferențierea regină-lucrătoare

Deși un ou nou depus se poate dezvolta fie într-o regină, fie în lucrător la majoritatea insectelor sociale, la câteva specii acest proces se află sub control genetic. GCD ne permite să determinăm potențial soarta de dezvoltare a unui individ încă de la începutul vieții. În colaborare cu Chris Smith, folosim furnica roșie de recoltat pentru a urmări modificările exprimării genelor la regină și la muncitori, indivizi destinați de la stadii larvare timpurii până la maturitate, pentru a înțelege dezvoltarea rețelelor transcripționale de regină și muncitoare. De asemenea, lucrăm cu alte două specii (Wasmannia auropunctata și Vollenhovia emeryii) pentru a încerca să identificăm genele implicate în GCD.

Diferențierea regină-lucrătoare în Diacamma

Spre deosebire de majoritatea furnicilor, Diacamma nu are adevărate regine, ci mai degrabă lucrători de reproducere numite gamergate. Orice lucrător poate deveni un gamergat după ce a ieșit dintr-o pupă ca individ individual. În cuiburile în care există deja un gamergat prezent, această furnică neclintită este atacată și mutilată, devenind un lucrător steril. Atunci când un gamergat nu este prezent, calul poate deveni noul gamergat. Acest sistem este supus la o varietate de manipulări experimentale și în prezent studiem expresia modificărilor genetice asociate diferențierii de castă de către cală. Această furnică trăiește în Okinawa și oferă un mare potențial pentru munca locală. Lucrăm în colaborare cu Yasukazu Okada.

Evoluția paraziților sociali

Coloniile sociale de insecte sunt construite pe baza cooperării, iar acest sistem este ușor de înșelat. Multe furnici au dezvoltat modalități de a exploata munca altor specii fără a oferi nimic în schimb, fenomen numit parazitism social. Explorăm schimbările genetice care însoțesc evoluția parazitismului social la furnicile recoltatoare.

Genomica co-evoluției

Furnicile de grădinărit cu ciuperci

Simbioza dintre furnicile asemănătoare și ciupercile lor cultivare a fost un exemplu remarcabil de integrare co-evolutivă. Am colaborat cu laboratorul lui Ulrich Mueller într-o serie de studii pentru a înțelege cum o interdependență atât de strânsă poate fi menținută pe parcursul a zeci de milioane de ani. În prezent, comparăm transcriptomii unei game de specii de cultivare fungică pentru a identifica gene care ar putea fi cruciale în menținerea simbiozei.

Ecologia moleculară a veninurilor de șarpe

Veninurile sunt amestecuri foarte dezvoltate de proteine ​​făcute pentru a incapacita și digera prada. Sunt tratabile analitic prin spectrometrie de masă datorită compoziției lor chimice relativ simple. Recent am finalizat un studiu al veninurilor a două pitvipere locale din Okinawa, habu (Prothobothrops flavoviridis) și himehabu (Ovophis okinavensis), comparând profilurile de expresie genică cu profilurile proteomice deduse prin spectrometrie de masă. Pe lângă descoperirea a numeroase proteine ​​noi pentru veninurile de șarpe, această metodă a arătat că este posibilă măsurarea cantitativă a veninilor de șarpe folosind spectrometria de masă. Suntem în proces de extindere a studiului nostru la vipere mai general, pentru a înțelege efectele filogeniei și ale dietei asupra evoluției compoziției veninului de șarpe.

Genomica peisajului și a populației temporale

Biologia invaziilor

Călătoriile și comerțul uman au făcut din lume un loc mai mic, iar unele specii au acces mult mai mare la noi teritorii decât ar fi în mod normal. Câțiva dintre acești călători se stabilesc cu succes în locuri noi, iar unii dintre ei continuă să provoace daune ecologice și ecologice semnificative. Biologia speciilor invazive, așa cum se numește, este o preocupare urgentă pentru mediu, precum și o oportunitate de a studia ecologia și evoluția în acțiune. Am lucrat cu o specie neobișnuită numită furnica de foc mică (Wasmannia auropunctata) pentru a înțelege ce face ca unele specii să fie mai bune invadatoare și cum evoluează speciile după introducerea lor.

Mica furnică de foc este o specie deosebit de utilă pentru această linie de investigație, deoarece invaziile umede sunt cauzate de introducerea unei singure perechi împerecheate. Acest lucru facilitează reconstituirea modificărilor genetice care au avut loc în timpul invaziei. Mica furnică de foc are, de asemenea, două forme de reproducere, una sexuală și una clonală, deși numai aceasta din urmă este invazivă. Suntem interesați să înțelegem rolul strategiei de reproducere, iar genetica joacă în invazie.

Imigrarea și selecția naturală la albinele sălbatice

Albinele (Apis mellifera) sunt de o importanță crucială pentru securitatea aprovizionării cu alimente din lume, oferind servicii de polenizare pentru o gamă largă de culturi. Cu toate acestea, populațiile de albine din întreaga lume s-au prăbușit din motive slab înțelese. În colaborare cu Tom Seeley, folosim colecțiile muzeale ale unei populații de albine de la sfârșitul anilor 1970, împreună cu eșantioane actuale pentru a înțelege interacțiunea dintre boli, imigrație și selecția naturală pe o populație de albine sălbatice.

Transfer orizontal de gene în rotifere bdelloide

Aceste nevertebrate acvatice minuscule au reputația de a se angaja într-un transfer larg de gene orizontale. Comparăm mai multe specii de rotifer bdelloid pentru a înțelege dinamica evoluției și consecințele acestui fenomen.

Diferențierea asociată gazdei (HAD) la fluturi

Insectele erbivore se bazează pe suite de adaptare genetică pentru a depăși apărarea plantelor lor gazdă. Speciile care se hrănesc cu mai multe plante gazdă diferite pot avea o selecție divergentă pe părți mari ale genomului lor din diferite populații. Acest lucru poate duce la diferențierea genomică gazdă-asociată între populații, nu doar în locurile implicate în adaptare, ci și în alte loci neutre. În cazuri extreme, HAD poate fi un precursor al speciației. Lucrăm cu doi fluturi congeneri (Euphydryas aurinia și E. editha) pentru a încerca să înțelegem forțele evolutive care produc diferențierea asociată gazdei. Fosta specie a documentat suite de comportamente adaptive, dar nu prezintă HAD, în timp ce cea de-a doua arată HAD, dar nici suite adaptive. Încercăm să rezolvăm acest aparent paradox, împreună cu Mike Singer. Ar trebui să consultați sfaturile excelente pentru studenții absolvenți pe pagina sa web.

Dezvoltarea metodelor moleculare

Secvențierea generației următoare a ADN-ului deteriorat

ADN-ul din multe dintre cele mai interesante surse vine sub forma unor fragmente denaturate scurte. Aceste fragmente nu sunt supuse multor abordări moleculare standard și sunt recalcitrante la analiza secvențială. Am dezvoltat o serie de instrumente de fragmente scurte de ADN secvențiale folosind chimia Illumina. Suntem interesați în special de eșantionarea nedistructivă a specimenelor de muzeu pentru analiza bazată pe secvențierea generației următoare, cum ar fi marcarea RAD sau secvențierea genomului întreg. Cu toate acestea, abordarea generalizată este utilă pentru majoritatea tipurilor de ADN fragmentat, cum ar fi eșantioane încorporate în parafină fixă ​​cu formaldehidă (FFPE) (de exemplu, țesuturi de biopsie) sau probe transformate în bisulfit (de exemplu, pentru analiza metilării).

Institutul de Știință și Tehnologie din Okinawa Universitatea Absolventă
1919-1 Tancha, Onna-son, Kunigami-gun
Okinawa, Japonia 904-0495
Cum să contactați OIST