Maitohorsman oranssit siivet ja DNA: Miten hyönteisten ruokavalio paljastuu perimästä

Kansainvälinen tutkijoiden yhteistyö, johon kuuluu myös Warwickin yliopiston School of Life Sciences -yliopiston tutkijoita, on sekvensoinut maitohämähäkkikärpäsen genomin, minkä ansiosta tutkijat pystyvät ymmärtämään molekyylitasolla, mistä ötökkä koostuu, sen värikkäästä kehityksestä sen myrkylliseen ruokavalioon.

Hemipterat ovat monimuotoinen hyönteisjärjestö, jossa on samanlainen määrä lajeja kuin kärpäsillä, ampiaisilla ja perhosilla. Siihen kuuluu mehua imeviä kirvoja, verta imeviä sänkykärpäsiä ja siementen syöjiä, kuten maitohorsman (Oncopeltus fasciatus). Toistaiseksi kuitenkin vain hyvin harvalla Hemipteralla on sekvensoitu genomi, joka on kriittinen DNA-resurssi lajin biologian taustalla olevien geenien ja proteiinien ymmärtämiseksi.

Hyönteisten biologisen monimuotoisuuden ja Hemipteran kannalta merkittävä sysäys hyönteisten biologiselle monimuotoisuudelle on tullut i5K-hankkeesta. Tämä suuri, kansainvälinen konsortio pyrkii sekvensoimaan 5000 hyönteisten ja niiden sukulaisten genomit. Sen puitteissa 83 tutkijaa, jotka työskentelivät 27 ryhmässä 10 maassa, sekvensoi ja analysoi maitohyönteisen genomin. He raportoivat Hemiptera-suvun laajamittaisista vertailevista tuloksistaan uudessa Genome Biology -lehdessä julkaistussa artikkelissa.

”Maitohämähäkit ovat loistava laji tutkittavaksi”, selittää tutkimusta johtava tutkija ja lajikoordinaattori Kristen Panfilio Warwickin yliopistosta Yhdistyneestä kuningaskunnasta ja Kölnin yliopistosta Saksasta. ”Ne ovat toimineet ekologian, aineenvaihdunnan, kehityksen ja genetiikan tutkimusmallina 1900-luvun puolivälistä lähtien, osittain siksi, että niitä on erittäin helppo pitää. Itse asiassa kanta, jonka sekvensoimme genomiprojektia varten, on käytössä myös koulujen luokkahuoneissa, sillä ötökät ovat koko elinkaarensa ajan kauniin puna-oranssin ja mustan värisiä.”

Nyt genomitiedot antavat tutkijoille mahdollisuuden yhdistää geenit suoraan ruokavalioon ja viime kädessä ötököiden siipien ja vartalon väriin.

Yksi tärkeimmistä tuotoksista oli luoda tietokanta kaikista maitohorsman aineenvaihduntaan osallistuvista entsyymeistä, mikä tukee lajikohtaisia vertailuja.

Maitohorsman silmiinpistävä puna-oranssi väri on itse asiassa varoitusmerkki mahdollisille saalistajille: maitohorsma on myrkyllinen ravinnonlähde, ja kirkkaat varoitusvärit ilmoittavat, että ötökät olisivat pahan makuisia. Tämä on sama väritys, joka on nähtävissä monarkkiperhosilla, jotka jakavat tämän ravinnonlähteen. Aineenvaihduntavertailut paljastavat nyt kuitenkin, että ötököillä ja perhosilla on erilaiset entsyymit, jotka käsittelevät välttämättömiä aminohappoja (proteiinien rakennusaineita), vaikka heillä on yhteinen ruokavalio.

Joitakin näistä aminohapoista hyönteinen tarvitsee siipiensä valmistamiseen. Siivet ovat tarkan rakenteen sekä värin kehityksen tulos.

Uuden genomitiedon ansiosta tutkijat pystyivät kokeellisesti testaamaan siipien kehityksen kannalta keskeisen säätelijägeenin hienovaraisia variantteja (isoformeja) käyttäen tekniikkaa, joka tunnetaan nimellä RNA-interferenssi (RNAi).

”Koska olemme työskennelleet siipien kehityksen parissa yli viisitoista vuotta, on jännittävää, että meillä on nyt pääsy genomiin, jotta voimme täysin analysoida joitakin näistä hyvin monimutkaisista geeneistä”, tarkentaa toinen kirjoittaja Deniz Erezyilmaz, joka suoritti RNAi-kokeet artikkelia varten Stony Brookin yliopistossa Yhdysvalloissa ja työskentelee nyt Oxfordin yliopistossa Yhdistyneessä kuningaskunnassa.

Uudessa tutkimuksessa havaitaan myös, että lajit, joilla on pitkälle erikoistunut nestemäinen ruokavalio, kuten kirvat ja luteet, menettävät yleensä tiettyjen aineenvaihduntaentsyymien lisäksi jopa haju- ja makureseptoreidensa laajuuden.

Sen sijaan maitohorsma-kuoriainen, joka etsiytyy mieluiten maitohorsmakasveihin ja ruokailee niillä laajalla maantieteellisellä levinneisyysalueellaan, säilyttää paljon täydellisemmän valikoiman aistivalkuaineita. Samaan aikaan maitohorsmat ja eräät niiden lähisukulaiset ovat hankkineet uusia geenejä bakteereista, ja geenit on integroitu suoraan ötökän perimään.

Jotkut uusista geeneistä tuottavat entsyymejä, jotka auttavat näitä kasvisyöjiä sulattamaan kasvien kudosten sitkeää selluloosaa, muun muassa haisukärpäsellä, joka on invaasiva tuholaislaji. Tieto siitä, mitkä geenit tukevat vieraslajin ruokavaliota, voi auttaa tutkijoita kehittämään strategioita integroitua tuholaistorjuntaa varten.

Tutkimus tuo esiin molekulaarisia piirteitä ötökkägenomissa. Hedelmäkärpästen ja ampiaisten genomit ovat hyvin pieniä ja kompakteja, kun taas ötökkägenomit ovat usein yli viisinkertaisia. Joten vaikka ötököillä ja kärpäsillä on yleensä sama määrä geenejä, niiden rakenne on erilainen, ja ötökkägeenit ovat laajalti hajallaan pitkin DNA:ta. Yksi tässä tutkimuksessa havaittu piirre on se, että ötökkägeenit koostuvat yleensä paljon useammista pienistä yksiköistä kuin kärpäsen geenit, mikä johtuu ilmiöstä, jota kutsutaan episodiseksi intronien lisääntymiseksi ja vaihtumiseksi.

Ko-kirjoittaja Robert Waterhouse Lausannen yliopistosta Sveitsistä selittää: ”Kun genomisekvensointihankkeet jatkuvat yhä laajemmassa hyönteisten ja eläinten monimuotoisuudessa, tietämys geenien ominaisuuksista suuremmissa genomeissa tulee olemaan yhä tärkeämpää.”

i5K-pilottihankkeen koordinaattori Stephen Richards kommentoi: ”Monet hyönteislajit ovat maatalouden tuholaisia tai kantavat tauteja, ja genomin sekvensointi voi auttaa tutkijoita selvittämään, miten niitä voidaan torjua.”. Genomin DNA-sekvenssi ei kuitenkaan riitä. Onnittelen tohtori Panfiliota ja kansainvälistä maitohämähäkkiyhteisöä tästä erinomaisesta saavutuksesta, joka on jo nopeuttanut ötököitä koskevaa tutkimusta”. Maitohämähäkkien vertaaminen muihin lajeihin, kuten sänkyhäkkiin, on ratkaisevan tärkeää, jotta voidaan ymmärtää kunkin lajin ainutlaatuista arvoa.”

Tutkijat jatkavat ruokailun ekologian kannalta tärkeiden geenien ja toisiinsa liittyvien biologisten ominaisuuksien tutkimista ötököissä. Näihin kuuluvat punaisen varoituspigmentin molekulaarinen perusta sekä ötökkäkohtaiset proteiinit, jotka osallistuvat kemialliseen suojautumiseen ja kehitykseen.