Les ailes orange de la punaise de l’asclépiade et l’ADN : Comment le régime alimentaire des insectes est révélé par le génome

Une collaboration internationale de chercheurs, notamment de la School of Life Sciences de l’Université de Warwick, a séquencé le génome de la punaise de l’asclépiade, permettant aux scientifiques de comprendre au niveau moléculaire ce qui fait la punaise, de son développement coloré à son régime alimentaire toxique.

Les hémiptères sont un ordre d’insectes diversifié, avec un nombre d’espèces similaire à celui des mouches, des guêpes et des papillons. On y trouve des pucerons suceurs de sève, des punaises de lit suceuses de sang et des mangeurs de graines comme la punaise de l’asclépiade (Oncopeltus fasciatus). Cependant, jusqu’à présent, très peu d’hémiptères ont des génomes séquencés, une ressource d’ADN essentielle pour comprendre les gènes et les protéines derrière la biologie d’une espèce.

Un coup de pouce majeur pour la biodiversité des insectes et pour les hémiptères est venu du projet i5K. Ce grand consortium international cherche à séquencer 5000 génomes d’insectes et de leurs proches. Dans ce cadre, le génome de la punaise de l’asclépiade a été séquencé et analysé par 83 chercheurs travaillant dans 27 équipes à travers 10 pays. Ils rapportent leurs résultats comparatifs à grande échelle sur les hémiptères dans un nouvel article publié dans la revue Genome Biology.

« La punaise de l’asclépiade est une espèce formidable à étudier », explique la chercheuse principale et coordinatrice de l’espèce, Kristen Panfilio, de l’Université de Warwick, au Royaume-Uni, et de l’Université de Cologne, en Allemagne. « Elles servent de modèle de recherche pour l’écologie, le métabolisme, le développement et la génétique depuis le milieu du XXe siècle, en partie parce qu’elles sont très faciles à conserver. En fait, la souche que nous avons séquencée pour le projet de génome est également utilisée dans les salles de classe des écoles, car les punaises ont une belle couleur rouge-orange et noire tout au long de leur cycle de vie. »

Maintenant, les données du génome permettent aux chercheurs de relier directement les gènes au régime alimentaire et, finalement, aux couleurs des ailes et du corps des punaises.

Un résultat clé a été de créer une base de données de toutes les enzymes impliquées dans le métabolisme de la punaise de l’asclépiade, soutenant les comparaisons entre les espèces.

La couleur rouge-orange frappante de la punaise de l’asclépiade est en fait un signe d’avertissement pour les prédateurs potentiels : l’asclépiade est une source de nourriture toxique, et les couleurs vives d’avertissement annoncent que les punaises auraient mauvais goût. Cette coloration est la même que celle observée chez les papillons monarques, qui partagent cette source de nourriture. Cependant, des comparaisons de métabolisme révèlent maintenant que les punaises et les papillons ont des enzymes différentes pour manipuler les acides aminés essentiels (les blocs de construction des protéines), malgré leur régime alimentaire commun.

Certains de ces acides aminés sont nécessaires à l’insecte pour fabriquer ses ailes. Les ailes sont le résultat du développement pour une structure précise ainsi que pour la couleur.

Les nouvelles informations sur le génome ont permis aux chercheurs de tester expérimentalement des variantes subtiles (isoformes) d’un gène régulateur clé pour le développement des ailes, en utilisant une technique connue sous le nom d’interférence ARN (ARNi).

« Ayant travaillé sur le développement des ailes pendant plus de quinze ans, il est passionnant que nous ayons maintenant accès au génome pour analyser pleinement certains de ces gènes très complexes », élabore le co-auteur Deniz Erezyilmaz, qui a mené les expériences d’ARNi pour l’article à l’Université de Stony Brook, aux États-Unis, et est maintenant basé à l’Université d’Oxford, au Royaume-Uni.

La nouvelle étude révèle également que les espèces à régime liquide hautement spécialisé, comme les pucerons et les punaises de lit, ont tendance à perdre non seulement certaines enzymes métaboliques, mais même l’étendue de leurs récepteurs olfactifs et gustatifs.

A l’inverse, la punaise de l’asclépiade, qui recherche et se nourrit préférentiellement de plantes d’asclépiade sur un vaste territoire géographique, conserve un répertoire beaucoup plus complet de protéines sensorielles. Dans le même temps, les punaises de l’asclépiade et certaines de leurs proches parentes ont nouvellement acquis des gènes provenant de bactéries, intégrant les gènes directement dans le génome de la punaise.

Certains de ces nouveaux gènes fournissent des enzymes qui aident ces mangeurs de plantes à digérer la cellulose résistante des tissus végétaux, y compris chez la punaise puante, une espèce nuisible envahissante. Savoir quels gènes soutiennent le régime alimentaire d’une espèce envahissante peut aider les chercheurs à élaborer des stratégies de lutte intégrée contre les parasites.

Enfin, l’étude met en évidence les caractéristiques moléculaires des génomes des insectes. Les mouches à fruits et les guêpes ont des génomes très petits et compacts, alors que les génomes des insectes sont souvent plus de cinq fois plus grands. Ainsi, même si les insectes et les mouches ont tendance à avoir le même nombre de gènes, leur structure diffère, les gènes des insectes étant très espacés le long de l’ADN. L’une des caractéristiques identifiées dans cette étude est que les gènes d’insectes ont tendance à être constitués de beaucoup plus de petites unités que les gènes de mouches, en raison d’un phénomène connu sous le nom de gain et de renouvellement épisodique des introns.

Co-auteur Robert Waterhouse, de l’Université de Lausanne, en Suisse, explique : « Alors que les projets de séquençage du génome continuent à s’aventurer dans le plus large éventail de la diversité des insectes et des animaux, la connaissance des propriétés des gènes dans les plus grands génomes sera de plus en plus importante. »

Le coordinateur du projet pilote i5K, Stephen Richards, commente :  » De nombreuses espèces d’insectes sont des parasites agricoles ou véhiculent des maladies, et le séquençage du génome peut aider les scientifiques à comprendre comment lutter contre ce phénomène. Cependant, la séquence d’ADN du génome n’est pas suffisante. Je félicite le Dr Panfilio et la communauté internationale de la punaise de l’asclépiade pour cette réalisation exceptionnelle, qui a déjà accéléré la recherche sur les insectes. La comparaison de la punaise de l’asclépiade avec d’autres espèces comme la punaise de lit est essentielle pour comprendre la valeur unique de chaque espèce. »

Les chercheurs continueront à étudier les gènes importants pour l’écologie alimentaire et les caractéristiques biologiques liées chez les punaises. Cela inclut la base moléculaire du pigment d’avertissement rouge ainsi que les protéines spécifiques aux punaises impliquées dans la protection chimique et le développement.

.