Oranžová křídla a DNA brouka mléčňáka:

Mezinárodní spolupráce vědců, mimo jiné ze School of Life Sciences na University of Warwick, sekvenovala genom brouka mléčňáka, což vědcům umožnilo pochopit na molekulární úrovni, co dělá brouka, od jeho pestrého vývoje až po jeho toxickou stravu.

Polobratlovci (Hemiptera) jsou rozmanitý řád hmyzu s podobným počtem druhů jako mouchy, vosy a motýli. Patří sem mšice sající mízu, štěnice sající krev a semenožravci, jako je štěnice mléčná (Oncopeltus fasciatus). Zatím však jen velmi málo polokřídlých má sekvenovaný genom, což je kritický zdroj DNA pro pochopení genů a proteinů, které stojí za biologií daného druhu.

Významnou podporu pro biodiverzitu hmyzu a pro polokřídlé přinesl projekt i5K. Toto velké mezinárodní konsorcium se snaží sekvenovat 5000 genomů hmyzu a jeho příbuzných. V jeho rámci sekvenovalo a analyzovalo genom brouka mléčňáka 83 vědců pracujících ve 27 týmech v 10 zemích. O svých rozsáhlých srovnávacích výsledcích na Hemiptera informují v novém článku publikovaném v časopise Genome Biology.

„Brouci mléčňáci jsou skvělým druhem ke studiu,“ vysvětluje vedoucí výzkumnice a koordinátorka druhu Kristen Panfilio z University of Warwick ve Velké Británii a University of Köln v Německu. „Již od poloviny dvacátého století slouží jako model pro výzkum ekologie, metabolismu, vývoje a genetiky, mimo jiné proto, že je velmi snadné je chovat. Ve skutečnosti se kmen, který jsme sekvenovali pro účely projektu genomu, používá i ve školních učebnách, protože brouci mají po celý svůj životní cyklus krásné červenooranžové a černé zbarvení.“

Data z genomu nyní vědcům umožňují přímo propojit geny se stravou a nakonec i s barvou křídel a těla brouků.

Jedním z klíčových výstupů bylo vytvoření databáze všech enzymů, které se podílejí na metabolismu brouků mléčnic, což podporuje porovnávání mezi jednotlivými druhy.

Nápadné červenooranžové zbarvení brouků mléčnic je ve skutečnosti varovným znamením pro potenciální predátory: mléčnice je toxickým zdrojem potravy a jasné varovné barvy oznamují, že by brouci nechutnali dobře. Stejné zbarvení lze pozorovat u motýlů monarchů, kteří mají tento zdroj potravy společný. Srovnání metabolismu však nyní odhalilo, že brouci a motýli mají navzdory společné stravě odlišné enzymy pro zpracování esenciálních aminokyselin (stavebních kamenů bílkovin).

Některé z těchto aminokyselin potřebuje hmyz k výrobě křídel. Křídla jsou výsledkem vývoje pro přesnou strukturu i barvu.

Nové informace o genomu umožnily vědcům experimentálně testovat jemné varianty (izoformy) klíčového regulačního genu pro vývoj křídel pomocí techniky známé jako RNA interference (RNAi).

„Poté, co jsme se více než patnáct let zabývali vývojem křídel, je vzrušující, že nyní máme přístup ke genomu, abychom mohli plně analyzovat některé z těchto velmi složitých genů,“ upřesňuje spoluautor Deniz Erezyilmaz, který experimenty s RNAi pro účely článku prováděl na Stony Brook University v USA a nyní působí na Oxfordské univerzitě ve Velké Británii.

Nová studie také zjistila, že druhy s vysoce specializovanou tekutou stravou, jako jsou mšice a štěnice, mají tendenci ztrácet nejen některé metabolické enzymy, ale dokonce i šíři svých čichových a chuťových receptorů.

Naproti tomu štěnice mléčná, která přednostně vyhledává a živí se rostlinami mléčnic v širokém geografickém areálu, si zachovává mnohem úplnější repertoár smyslových proteinů. Zároveň mají brouci mléčnic a někteří jejich blízcí příbuzní nově získané geny z bakterií, které se integrují přímo do genomu brouka.

Některé z nových genů poskytují enzymy, které těmto rostlinožravcům pomáhají trávit houževnatou celulózu rostlinných pletiv, a to i u smraďocha, invazního druhu škůdce. Znalost toho, které geny podporují stravu invazních druhů, může vědcům pomoci při vývoji strategií pro integrovanou ochranu proti škůdcům.

Studie konečně upozorňuje na molekulární rysy v genomech brouků. Ovocné mušky a vosy mají velmi malé, kompaktní genomy, zatímco genomy brouků jsou často více než pětkrát větší. Takže i když mají brouci a mouchy obvykle stejný počet genů, jejich struktura se liší, přičemž geny brouků jsou široce rozmístěny podél DNA. Jedním z rysů zjištěných v této studii je, že geny brouků bývají tvořeny mnohem větším počtem malých jednotek než geny much, což je způsobeno jevem známým jako epizodický přírůstek a obrat intronů.

Spoluautor Robert Waterhouse z univerzity ve švýcarském Lausanne vysvětluje: „S tím, jak se projekty sekvenování genomů budou nadále pouštět do širšího spektra rozmanitosti hmyzu a zvířat, budou znalosti vlastností genů ve větších genomech stále důležitější.“

koordinátor pilotního projektu i5K Stephen Richards komentuje: „Mnoho druhů hmyzu jsou zemědělští škůdci nebo přenášejí nemoci a sekvenování genomu může vědcům pomoci zjistit, jak s tím bojovat. Sekvence DNA genomu však nestačí. Gratuluji Dr. Panfilovi a mezinárodní komunitě brouků mléčnic k tomuto vynikajícímu úspěchu, který již urychlil výzkum brouků. Srovnání brouka mléčňáka s jinými druhy, jako je štěnice, je velmi důležité pro pochopení jedinečné hodnoty každého druhu.“

Výzkumníci budou pokračovat ve zkoumání genů důležitých pro potravní ekologii a souvisejících biologických vlastností brouků. To zahrnuje molekulární základ červeného výstražného pigmentu a také proteiny specifické pro brouky, které se podílejí na chemické ochraně a vývoji.