Mælkebugens orangefarvede vinger og DNA: Hvordan insekters kostvaner afsløres af genomet

Et internationalt samarbejde af forskere, herunder fra School of Life Sciences på University of Warwick, har sekventeret mælkebøttebugens genom, hvilket gør det muligt for forskerne at forstå på molekylært niveau, hvad der kendetegner insektet, lige fra dets farverige udvikling til dets giftige kost.

Hæmiptera er en mangfoldig insektorden med et lignende antal arter som fluer, hvepse og sommerfugle. Det omfatter bl.a. saftsugende bladlus, blodsugende væggelus og frøbegyndere som mælkebøttebillen (Oncopeltus fasciatus). Indtil videre er der dog kun meget få Hemiptera, som har sekventerede genomer, hvilket er en vigtig DNA-ressource for at forstå generne og proteinerne bag en arts biologi.

Et stort løft for insekternes biodiversitet og for Hemiptera er kommet fra i5K-projektet. Dette store, internationale konsortium har til formål at sekventere 5 000 genomer af insekter og deres slægtninge. Inden for denne ramme er mælkebøttebuggenes genom blevet sekventeret og analyseret af 83 forskere, der arbejder på 27 hold i 10 lande. De rapporterer deres store sammenlignende resultater om Hemiptera i en ny artikel, der er offentliggjort i tidsskriftet Genome Biology.

“Mælkebøttebiller er en fantastisk art at studere”, forklarer hovedforsker og artskoordinator Kristen Panfilio fra University of Warwick, Storbritannien, og University of Cologne, Tyskland. “De har fungeret som en forskningsmodel for økologi, metabolisme, udvikling og genetik siden midten af det tyvende århundrede, bl.a. fordi de er meget nemme at holde. Faktisk bruges den stamme, som vi sekventerede til genomprojektet, også i skoleklasserummene, da insekterne har en smuk rød-orange og sort farve i hele deres livscyklus.”

Nu giver genomdataene forskerne mulighed for at kæde generne direkte sammen med kosten og i sidste ende insekternes vinge- og kropsfarve.

Et af de vigtigste resultater var at skabe en database over alle enzymer, der er involveret i metabolismen hos mælkebøttebillen, hvilket understøtter sammenligninger på tværs af arter.

Milkebøttebillen har en slående rød-orange farve, som faktisk er et advarselssignal til potentielle rovdyr: Mælkebøtte er en giftig fødekilde, og klare advarselsfarver annoncerer, at insekterne ville smage dårligt. Det er den samme farvetegning, der ses hos monark-sommerfugle, som deler denne fødekilde. Men sammenligninger af stofskiftet afslører nu, at insekterne og sommerfuglene har forskellige enzymer til at håndtere essentielle aminosyrer (proteinernes byggesten) på trods af deres fælles kost.

Nogle af disse aminosyrer er nødvendige for insektet til at lave sine vinger. Vingerne er resultatet af udviklingen af en præcis struktur såvel som farve.

Den nye genominformation gjorde det muligt for forskerne eksperimentelt at teste subtile varianter (isoformer) af et centralt reguleringsgen for vingeudvikling ved hjælp af en teknik kendt som RNA-interferens (RNAi).

“Efter at have arbejdet med vingeudvikling i over 15 år er det spændende, at vi nu har adgang til genomet for fuldt ud at kunne analysere nogle af disse meget komplekse gener”, forklarer medforfatter Deniz Erezyilmaz, der udførte RNAi-eksperimenterne til artiklen på Stony Brook University i USA og nu er baseret på University of Oxford i Storbritannien.

Den nye undersøgelse viser også, at arter med højt specialiseret flydende kost, som bladlus og væggelus, har en tendens til at miste ikke kun visse metaboliske enzymer, men også bredden af deres lugt- og smagsreceptorer.

Milkebillen, som fortrinsvis søger efter og lever af mælkebøtteplanter over et bredt geografisk område, har derimod bevaret et meget mere omfattende repertoire af sensoriske proteiner. Samtidig har mælkebøttebiller og nogle af deres nære slægtninge nyligt erhvervet gener fra bakterier og integreret generne direkte i insektgenomet.

Nogle af de nye gener giver enzymer, der hjælper disse planteædere med at fordøje plantevævets hårde cellulose, herunder hos stankbillen, en invasiv skadedyrsart. Viden om, hvilke gener der understøtter en invasiv arts kost, kan hjælpe forskere med at udvikle strategier til integreret skadedyrsbekæmpelse.

Endeligt fremhæver undersøgelsen molekylære træk i insektgenomerne. Frugtfluer og hvepse har meget små, kompakte genomer, mens insektgenomerne ofte er over fem gange større. Så selv om insekter og fluer har tendens til at have det samme antal gener, er deres struktur forskellig, idet insektgener er meget spredt ud langs DNA’et. Et af de træk, der blev identificeret i denne undersøgelse, er, at insektgener har en tendens til at bestå af mange flere små enheder end fluegener, hvilket skyldes et fænomen, der kaldes episodisk intronforøgelse og -omsætning.

Medforfatter Robert Waterhouse fra Lausanne Universitet i Schweiz forklarer: “Efterhånden som genomsekventeringsprojekter fortsætter med at gå ud i den bredere vifte af insekt- og dyrediversitet, vil viden om genernes egenskaber i større genomer blive stadig vigtigere.”

i5K-pilotkoordinator Stephen Richards bemærker: “Mange insektarter er skadedyr i landbruget eller bærer sygdomme, og genomsekventering kan hjælpe forskerne med at finde ud af, hvordan de kan bekæmpe dette. DNA-sekvensen af genomet er imidlertid ikke nok. Jeg lykønsker Dr. Panfilio og det internationale fællesskab af mælkebøtteinsekter med denne fremragende præstation, som allerede har fremskyndet forskningen om insekter. Det er afgørende at sammenligne mælkebøttebillen med andre arter som f.eks. sengebiller for at forstå den unikke værdi af hver enkelt art.”

Forskerne vil fortsat undersøge gener, der er vigtige for fødeøkologi og tilknyttede biologiske egenskaber hos insekter. Dette omfatter det molekylære grundlag for det røde advarselspigment samt insektspecifikke proteiner, der er involveret i kemisk beskyttelse og udvikling.