Die orangefarbenen Flügel des Milchkrautkäfers und die DNA: Wie das Genom die Ernährung von Insekten enthüllt

Eine internationale Forschergruppe, unter anderem von der School of Life Sciences an der University of Warwick, hat das Genom der Milchkrautwanze sequenziert, was es den Wissenschaftlern ermöglicht, auf molekularer Ebene zu verstehen, was die Wanze ausmacht, von ihrer farbenfrohen Entwicklung bis hin zu ihrer giftigen Nahrung.

Die Hemiptera sind eine vielfältige Insektenordnung, mit einer ähnlichen Anzahl von Arten wie Fliegen, Wespen und Schmetterlinge. Dazu gehören saftsaugende Blattläuse, blutsaugende Bettwanzen und Samenfresser wie die Milchkrautwanze (Oncopeltus fasciatus). Bislang haben jedoch nur sehr wenige Hemiptera ein sequenziertes Genom, eine entscheidende DNA-Ressource für das Verständnis der Gene und Proteine, die der Biologie einer Art zugrunde liegen.

Einen wichtigen Impuls für die biologische Vielfalt der Insekten und für die Hemiptera hat das i5K-Projekt gegeben. Dieses große internationale Konsortium hat sich zum Ziel gesetzt, 5000 Genome von Insekten und ihren Verwandten zu sequenzieren. In diesem Rahmen wurde das Genom der Milchkrautwanze von 83 Forschern sequenziert und analysiert, die in 27 Teams in 10 Ländern arbeiteten. Sie berichten über ihre groß angelegten vergleichenden Ergebnisse zu den Hemiptera in einem neuen Artikel, der in der Zeitschrift Genome Biology veröffentlicht wurde.

„Milchkrautwanzen sind eine großartige Spezies, um sie zu untersuchen“, erklärt die leitende Forscherin und Artenkoordinatorin Kristen Panfilio von der University of Warwick, UK, und der Universität Köln, Deutschland. „Sie dienen seit Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts als Forschungsmodell für Ökologie, Stoffwechsel, Entwicklung und Genetik, auch weil sie sehr einfach zu halten sind. Tatsächlich wird der Stamm, den wir für das Genomprojekt sequenziert haben, auch in Schulklassen verwendet, da die Wanzen während ihres gesamten Lebenszyklus eine wunderschöne rot-orange und schwarze Farbe haben.“

Die Genomdaten ermöglichen es den Forschern nun, Gene direkt mit der Ernährung und letztlich mit der Flügel- und Körperfarbe der Wanzen zu verknüpfen.

Ein wichtiges Ergebnis war die Erstellung einer Datenbank aller Enzyme, die am Stoffwechsel der Milchkrautwanze beteiligt sind, was Vergleiche zwischen verschiedenen Arten ermöglicht.

Die auffällige rot-orange Farbe der Milchkrautwanze ist eigentlich ein Warnzeichen für potenzielle Fressfeinde: Milchkraut ist eine giftige Nahrungsquelle, und helle Warnfarben kündigen an, dass die Wanzen schlecht schmecken würden. Dies ist die gleiche Färbung wie bei den Monarchfaltern, die sich diese Nahrungsquelle teilen. Vergleiche des Stoffwechsels haben nun jedoch ergeben, dass Wanzen und Schmetterlinge trotz ihrer gemeinsamen Nahrung unterschiedliche Enzyme für die Verarbeitung essenzieller Aminosäuren (die Bausteine von Proteinen) besitzen.

Einige dieser Aminosäuren benötigt das Insekt, um seine Flügel herzustellen. Die Flügel sind das Ergebnis der Entwicklung einer präzisen Struktur und Farbe.

Die neuen Genominformationen ermöglichten es den Forschern, mit Hilfe einer als RNA-Interferenz (RNAi) bekannten Technik subtile Varianten (Isoformen) eines wichtigen Regulatorgens für die Flügelentwicklung zu testen.

„Nachdem wir mehr als fünfzehn Jahre lang an der Flügelentwicklung gearbeitet haben, ist es aufregend, dass wir jetzt Zugang zum Genom haben, um einige dieser sehr komplexen Gene vollständig zu analysieren“, erklärt Mitautor Deniz Erezyilmaz, der die RNAi-Experimente für die Studie an der Stony Brook University, USA, durchführte und jetzt an der University of Oxford, UK, tätig ist.

Die neue Studie zeigt auch, dass Arten mit hochspezialisierter Flüssignahrung, wie Blattläuse und Bettwanzen, nicht nur bestimmte Stoffwechselenzyme, sondern sogar die Breite ihrer Geruchs- und Geschmacksrezeptoren verlieren.

Im Gegensatz dazu behält die Milchkrautwanze, die sich bevorzugt von Milchkrautpflanzen in einem breiten geografischen Gebiet ernährt, ein viel umfangreicheres Repertoire an sensorischen Proteinen. Gleichzeitig haben Milchkrautwanzen und einige ihrer nahen Verwandten neue Gene von Bakterien erworben, die direkt in das Wanzengenom integriert wurden.

Einige der neuen Gene liefern Enzyme, die diesen Pflanzenfressern helfen, die zähe Zellulose des Pflanzengewebes zu verdauen, auch bei der Stinkwanze, einer invasiven Schädlingsart. Zu wissen, welche Gene die Ernährung einer invasiven Art unterstützen, kann Forschern bei der Entwicklung von Strategien zur integrierten Schädlingsbekämpfung helfen.

Schließlich hebt die Studie molekulare Merkmale in Insektengenomen hervor. Fruchtfliegen und Wespen haben sehr kleine, kompakte Genome, während die Genome von Wanzen oft mehr als fünfmal so groß sind. Obwohl Wanzen und Fliegen in der Regel die gleiche Anzahl von Genen haben, unterscheidet sich ihre Struktur, wobei die Wanzengene weit über die DNA verteilt sind. Ein Merkmal, das in dieser Studie identifiziert wurde, ist, dass Wanzengene dazu neigen, aus viel mehr kleinen Einheiten zu bestehen als Fliegengene, was auf ein Phänomen zurückzuführen ist, das als episodischer Intron-Zuwachs und -Turnover bekannt ist.

Ko-Autor Robert Waterhouse von der Universität Lausanne, Schweiz, erklärt: „Da Genomsequenzierungsprojekte weiterhin in die breitere Palette der Insekten- und Tiervielfalt vordringen, wird das Wissen über die Eigenschaften von Genen in größeren Genomen immer wichtiger werden.“

i5K-Pilotkoordinator Stephen Richards kommentiert: „Viele Insektenarten sind landwirtschaftliche Schädlinge oder Überträger von Krankheiten, und die Genomsequenzierung kann den Wissenschaftlern helfen, herauszufinden, wie sie diese bekämpfen können. Die DNA-Sequenz des Genoms allein reicht jedoch nicht aus. Ich gratuliere Dr. Panfilio und der internationalen Gemeinschaft der Milchkrautwanzen zu dieser herausragenden Leistung, die die Forschung über Wanzen bereits beschleunigt hat. Der Vergleich der Milchkrautwanze mit anderen Arten wie der Bettwanze ist von entscheidender Bedeutung, um den einzigartigen Wert jeder Art zu verstehen.“

Die Forscher werden weiterhin Gene untersuchen, die für die Ernährungsökologie und damit verbundene biologische Merkmale von Wanzen wichtig sind. Dazu gehören die molekulare Grundlage für das rote Warnpigment sowie wanzenspezifische Proteine, die am chemischen Schutz und der Entwicklung beteiligt sind.