Lacewing Venom: Linking molecular and phenotypic evolution

Dette prosjektet vil gi en bedre forståelse av hvordan arter evolverer, som er et sentralt spørsmål innen biologi. En utfordring ved å forstå evolusjon kommer av at de fleste egenskaper egentlig er produkter av et stort antall gener med flere, ofte ukjente, roller. Å identifisere hvordan forandringer i en egenskap, eller "fenotype", er forårsaket av forandringer på et molekylært nivå er derfor ofte en ekstremt komplisert oppgave. En løsning på dette problemet ligger i dyregifter. Gifter er evolusjonære innovasjoner som flytter kampen for tilværelsen fra den fysiske til den kjemiske verden, og består av et antall toksiner som har evolvert fra molekyler med "dagligdagse" fysiologiske funksjoner. Disse toksinene er ofte ekstremt potente og selektive, og har vist seg å være en lovende kilde til nye potensiale lege- og plantevernmidler. Det er også den kombinerte effekten av disse toksinene som oppnår toksisiteten, altså fenotypen, til giften. Sammenlignet med antall gener som bidrar til de fleste andre egenskaper er antallet toksiner i de fleste gifter lavt, og dette gjør at de er ideelle for å studere hvordan forandringer i fenotyper forårsakes av endringer på et molekylært nivå. Gift har oppstått en rekke ganger på tvers av dyreriket, men bare et fåtall av disse giftige dyregruppene har blitt forsket på. Dette mangfoldet av uutforskede giftige dyr inkluderer flere av de mest vanlige dyrene i naturen rundt oss, inkludert insekter fra nettvinge ordenen, som gulløyer og maurløver. Mens ingen voksne nettvinger er giftige, har larvene gift som brukes til å paralysere og fordøye byttene deres. Dette prosjektet gir den første innsikten i sammensetningen og evolusjonen av nettvingegifter, og vil føre til oppdagelser av nye molekyler med potensiale for utvikling som lege- eller plantevernmidler. Det vil og, for første gang, studere hvordan evolusjon av gift fenotyper drives av forandringer på molekylært nivå, og dermed møte en sentral utfordring i evolusjonsbiologi. Våre resultater til nå viser at giftene består hovedsakelig av proteiner og peptider som ikke ligner på noen tidligere beskrevede protein familier, samt at det finnes stor diversitet mellom arter i gulløyefamilien. Ved bruk av komparative genomiske og evolusjonære metoder har vi og identifisert flere av de genetiske mekanismene som ligger til grunn for denne toksindiversiteten, inkludert flere som ikke tidligere er kjent å spille en signifikant rolle i dyregifter.

Understanding the ability of species to adapt to environmental changes, or their evolvability, is central to evolutionary biology, which aims to understand the processes that shape life on earth. It is also an increasingly important aspect of conservation biology, given the challenges presented by anthropogenic climate change and habitat destruction. Most traits are complex in that their phenotype results from the contributions of many genes, and it is the variance of these additive genes that determines the short-term evolvability of a species. While several tools exist for determining additive genetic variance of complex traits, identifying adaptations at the molecular level remains a major challenge. This impacts our understanding of the genetic mechanisms that underlie adaptation and calls for models that enable the integration of quantitative and molecular genetics. Venoms represent particularly well-suited model systems for examining the evolution of complex traits. Unlike many other phenotypic traits, where the link between genetic and phenotypic evolution is lost in the underlying genetic complexity, venom phenotypes result from the combined action of a relatively small number of secreted proteins that can be easily identified, characterised, and selectively enriched/depleted. The selective advantage and role of venoms are also generally well defined, and can be broadly recapitulated in the laboratory as toxicity against model organisms. This project will use an innovative, highly multidisciplinary approach to for the first time examine the evolution of venom as a complex trait. This will lead to new insight into the evolution of venoms, and is likely to result in discovery of novel bioactive molecules with potential for development into pesticides and drugs. It will also facilitate establishing venom as a model trait that allows for integration of quantitative and molecular genetics, thus addressing a major methodological challenge in evolutionary biology.