Las alas anaranjadas del bicho del algodoncillo y el ADN: Cómo la dieta de los insectos es revelada por el genoma

Una colaboración internacional de investigadores, entre los que se encuentra la Escuela de Ciencias de la Vida de la Universidad de Warwick, ha secuenciado el genoma del chinche del algodoncillo, lo que ha permitido a los científicos comprender a nivel molecular lo que hace a este bicho, desde su colorido desarrollo hasta su dieta tóxica.

Los hemípteros son un orden de insectos muy diverso, con un número de especies similar al de las moscas, avispas y mariposas. Entre ellos se encuentran los pulgones chupadores de savia, los chinches chupadores de sangre y los que se alimentan de semillas, como el chinche de los algodoncillos (Oncopeltus fasciatus). Sin embargo, hasta ahora son muy pocos los hemípteros que cuentan con genomas secuenciados, un recurso de ADN fundamental para comprender los genes y las proteínas que subyacen a la biología de una especie.

El Proyecto i5K ha supuesto un gran impulso para la biodiversidad de los insectos y para los hemípteros. Este gran consorcio internacional pretende secuenciar 5.000 genomas de insectos y sus parientes. En este marco, el genoma del algodoncillo fue secuenciado y analizado por 83 investigadores que trabajan en 27 equipos de 10 países. En un nuevo artículo publicado en la revista Genome Biology, los investigadores informan de sus resultados comparativos a gran escala sobre el Hemíptero.

«Los bichos del algodoncillo son una especie estupenda para estudiar», explica la investigadora principal y coordinadora de la especie, Kristen Panfilio, de la Universidad de Warwick (Reino Unido) y la Universidad de Colonia (Alemania). «Han servido como modelo de investigación en ecología, metabolismo, desarrollo y genética desde mediados del siglo XX, en parte porque son muy fáciles de mantener. De hecho, la cepa que secuenciamos para el proyecto del genoma también se utiliza en las aulas de las escuelas, ya que los bichos son de un hermoso color rojo-naranja y negro a lo largo de sus ciclos de vida.»

Ahora, los datos del genoma permiten a los investigadores vincular directamente los genes con la dieta y, en última instancia, los colores de las alas y el cuerpo de los bichos.

Un resultado clave fue la creación de una base de datos de todas las enzimas implicadas en el metabolismo del algodoncillo, lo que permite realizar comparaciones entre especies.

El llamativo color rojo-naranja del algodoncillo es, de hecho, una señal de advertencia para los posibles depredadores: el algodoncillo es una fuente de alimento tóxico, y los colores brillantes de advertencia anuncian que los bichos tendrían mal sabor. Es la misma coloración que se observa en las mariposas monarca, que comparten esta fuente de alimento. Sin embargo, las comparaciones del metabolismo revelan ahora que los bichos y las mariposas tienen diferentes enzimas para manejar los aminoácidos esenciales (los bloques de construcción de las proteínas), a pesar de su dieta compartida.

Algunos de estos aminoácidos son necesarios para que el insecto fabrique sus alas. Las alas son el resultado del desarrollo de una estructura precisa, así como del color.

La nueva información del genoma permitió a los investigadores probar experimentalmente sutiles variantes (isoformas) de un gen regulador clave para el desarrollo de las alas, utilizando una técnica conocida como ARN de interferencia (RNAi).

«Después de haber trabajado en el desarrollo de las alas durante más de quince años, es emocionante que ahora tengamos acceso al genoma para analizar por completo algunos de estos genes tan complejos», explica la coautora Deniz Erezyilmaz, que realizó los experimentos de ARNi para el artículo en la Universidad de Stony Brook (EE.UU.) y que ahora trabaja en la Universidad de Oxford (Reino Unido).

El nuevo estudio también descubre que las especies con dietas líquidas muy especializadas, como los pulgones y las chinches, tienden a perder no sólo ciertas enzimas metabólicas, sino incluso la amplitud de sus receptores olfativos y gustativos.

En cambio, el chinche del algodoncillo, que busca y se alimenta preferentemente de plantas de algodoncillo en una amplia zona geográfica, conserva un repertorio mucho más completo de proteínas sensoriales. Al mismo tiempo, las chinches del algodoncillo y algunos de sus parientes cercanos han adquirido nuevos genes de las bacterias, integrando los genes directamente en el genoma de la chinche.

Algunos de los nuevos genes proporcionan enzimas que ayudan a estos alimentadores de plantas a digerir la dura celulosa de los tejidos vegetales, incluso en la chinche apestosa, una especie de plaga invasora. Saber qué genes favorecen la dieta de una especie invasora puede ayudar a los investigadores a desarrollar estrategias de gestión integrada de plagas.

Por último, el estudio pone de relieve las características moleculares de los genomas de los insectos. Las moscas de la fruta y las avispas tienen genomas muy pequeños y compactos, mientras que los genomas de las chinches suelen ser más de cinco veces mayores. Por tanto, aunque los insectos y las moscas suelen tener el mismo número de genes, su estructura difiere, ya que los genes de los insectos están muy espaciados a lo largo del ADN. Una de las características identificadas en este estudio es que los genes de los bichos tienden a estar formados por muchas más unidades pequeñas que los de las moscas, debido a un fenómeno conocido como ganancia y recambio episódico de intrones.

El coautor Robert Waterhouse, de la Universidad de Lausana (Suiza), explica: «A medida que los proyectos de secuenciación del genoma sigan aventurándose en el amplio abanico de la diversidad de insectos y animales, el conocimiento de las propiedades de los genes en genomas más grandes será cada vez más importante.»

El coordinador del proyecto piloto i5K, Stephen Richards, comenta: «Muchas especies de insectos son plagas agrícolas o portadoras de enfermedades, y la secuenciación del genoma puede ayudar a los científicos a averiguar cómo combatirlas. Sin embargo, la secuencia del ADN del genoma no es suficiente. Felicito al Dr. Panfilio y a la comunidad internacional de bichos del algodoncillo por este extraordinario logro, que ya ha acelerado la investigación sobre los insectos». La comparación de la chinche del algodoncillo con otras especies, como la chinche de la cama, es fundamental para comprender el valor único de cada especie»

Los investigadores seguirán investigando los genes importantes para la ecología de la alimentación y las características biológicas vinculadas en los insectos. Esto incluye la base molecular del pigmento rojo de advertencia, así como las proteínas específicas de los chinches implicadas en la protección química y el desarrollo.