Supergene associated with ant queen wing polymorphism and its evolutionary history in Myrmecina nipponica

Resumen Técnico: Supergen Asociado con el Polimorfismo de Alas en la Reina de Myrmecina nipponica

Planteamiento del Problema
Los insectos sociales exhiben diferenciación de castas, una transición evolutiva mayor que a menudo es mediada por factores ambientales como la nutrición y las hormonas. Sin embargo, ciertos taxones de hormigas presentan una determinación de castas mediada genéticamente, lo que ofrece un modelo para identificar la base molecular de este proceso. Si bien el polimorfismo de alas (reinas aladas frente a ergatoides) es un rasgo conocido en las especies de Myrmecina, la arquitectura genómica específica que subyace a este polimorfismo en Myrmecina nipponica permanecía sin caracterizar. Investigaciones previas en la congénere M. graminicola identificaron un supergen social asociado con el número de reinas y el polimorfismo de alas, pero no estaba claro si mecanismos similares existían en M. nipponica o si compartían un origen evolutivo común.

Metodología
El estudio empleó un enfoque genómico multifacético utilizando cuatro poblaciones de M. nipponica (Chitose, Mt. Kurai, Mt. Takanawa y Toyama) que representan diferentes rangos geográficos y fenotipos de reina.

1. Ensamblaje del Genoma de Referencia: Se secuenció el genoma haploide de un macho utilizando lecturas cortas de Illumina y se ensambló de novo en 16,787 scaffolds (N50 = 2.2 Mb), logrando una completitud de BUSCO alta (94.5%).
2. Genómica de Poblaciones y GWAS: Se realizó una secuenciación de RAD-seq de doble digestión flexible (ddRAD-seq) en 96 reinas. Se identificaron y filtraron polimorfismos de un solo nucleótido (SNPs) para realizar un Estudio de Asociación de Genoma Completo (GWAS) con el fin de identificar loci vinculados al fenotipo de la reina (alada vs. ergatoide).
3. Análisis de Estructura y Sintenia: Los autores alinearon los 11 scaffolds que contenían SNPs significativos de GWAS contra el genoma de referencia de M. graminicola (14 cromosomas) para determinar los orígenes evolutivos. Se utilizó el ensamblaje guiado por referencia para reconstruir un "pseudocromosoma 4" basado en la sintenia con el cromosoma 4 de M. graminicola (Mg4).
4. Detección de Reordenamientos Estructurales: Se compararon los ensamblajes de novo de los genomas de reinas aladas y ergatoides para identificar variaciones estructurales a gran escala (inversiones, translocaciones) dentro de la región candidata.
5. Desequilibrio de Ligamiento (LD) y Agrupamiento Genético: Se analizaron los patrones de LD (D' y r²) a través de la región candidata para evaluar la supresión de la recombinación. Se utilizó el Análisis de Componentes Principales (PCA) para validar las asociaciones genotipo-fenotipo.
6. Caracterización Funcional: Se llevó a cabo un análisis de enriquecimiento de Ontología Génica (GO) sobre los genes dentro de los scaffolds candidatos. Se realizó RNA-seq en estadios adultos y pupales para identificar genes diferencialmente expresados (DEGs) y evaluar su asociación con la región del supergen.

Resultos Clave

• Identificación de un Supergen: El GWAS identificó 55 SNPs significativamente asociados con el fenotipo de la reina a través de 11 scaffolds. Cuatro de estos scaffolds (77357, 77815, 76968 y 77517) formaban un bloque contiguo en un pseudocromosoma reconstruido homólogo a Mg4 de M. graminicola.
• Base Estructural: La comparación de los genomas de reinas aladas y ergatoides reveló una inversión y translocación a gran escala (1.75 Mbp) que abarca el límite entre los scaffolds 77357 y 77815 en las reinas ergatoides. Este reordenamiento estructural se correlaciona con un fuerte desequilibrio de ligamiento (LD) y una recombinación suprimida en toda la región, confirmando su estatus de supergen.
• Correlación Genotipo-Fenotipo: Las reinas aladas fueron consistentemente homocigotas para los alelos de referencia (AA), mientras que las reinas ergatoides fueron heterocigotas (AE) o homocigotas para los alelos alternativos (EE). Este patrón respalda un modelo de alelo dominante donde el haplotipo derivado suprime el desarrollo alado.
• Evolución Independiente: El análisis de sintenia reveló que el supergen de M. nipponica no es ortólogo al supergen de M. graminicola (el cual involucra una inserción en Mg1). En su lugar, el supergen de M. nipponica surgió independientemente en una región sinténica con Mg4, indicando una evolución convergente de la determinación de castas mediada por supergenes en Myrmecina.
• Perspectivas Funcionales: Los genes dentro del supergen estuvieron enriquecidos para funciones relacionadas con el metabolismo de carbohidratos, actividad de hidroxilasa de esteroides (incluyendo la síntesis de precursores de la hormona juvenil, JH) y estructura de la cromatina. En las reinas adultas, los genes dentro del supergen fueron significativamente más propensos a estar diferencialmente expresados en comparación con el trasfondo genómico. Los candidatos específicos incluyeron ortólogos de la difosfomevalonato descarboxilasa y la metil farnesoato epoxidasa.
• Locus Secundario: Un ortólogo del gen tipo ALP1 (Mnip_004329) en un scaffold separado estuvo fuertemente asociado con el polimorfismo de alas en poblaciones del norte y del centro, pero no en la población del sur, lo que sugiere un factor genético secundario, evolutivamente más joven, que influye en la determinación de la casta.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este estudio proporciona la evidencia inicial de un supergen que subyace al polimorfismo de alas en M. nipponica. Las contribuciones clave incluyen:

• Mecanismo de Determinación de Castas: Los hallazgos sugieren que el supergen modula las respuestas fisiológicas a las señales nutricionales (específicamente glucosa y hexosa) a través de la regulación transcripcional y epigenética, influyendo potencialmente en las vías de la Hormona Juvenil (JH) para impulsar la diferenciación de castas.
• Dinámica Evolutiva: El estudio demuestra que los supergenes que controlan la determinación de castas pueden evolucionar independientemente en especies estrechamente relacionadas (M. nipponica y M. graminicola), contrastando con los modelos donde los supergenes se propagan mediante introgresión (como se observa en Solenopsis).
• Arquitectura Genética: La investigación destaca una arquitectura genética compleja que involucra un supergen primario y un locus secundario (ALP1), que pueden interactuar para determinar la casta. Los autores señalan que el sistema no es absoluto; un desajuste único genotipo-fenotipo (AQ_36) y la conocida plasticidad ambiental (inducción por baja temperatura) sugieren que el supergen sesga la susceptibilidad del desarrollo en lugar de actuar como un interruptor determinante.
• Limitaciones: Los autores reconocen modestamente que la naturaleza fragmentada del actual genoma de referencia impide la resolución definitiva de la extensión física total del supergen y la arquitectura causal exacta, lo que requiere futuras secuenciaciones de lectura larga para un ensamblaje a nivel de cromosoma.