A tejesbogár narancssárga szárnyai és DNS-e: Hogyan derül ki a rovarok étrendje a genomból

Kutatók nemzetközi együttműködése, köztük a Warwicki Egyetem Élettudományi Karának munkatársai szekvenálták a tejespoloska genomját, lehetővé téve a tudósok számára, hogy molekuláris szinten megértsék, mi teszi a poloskát, a színes fejlődésétől a mérgező étrendjéig.

A Hemiptera egy változatos rovarrend, amelynek fajszáma a legyekhez, darazsakhoz és pillangókhoz hasonló. Ide tartoznak a nedvszívó levéltetvek, a vérszívó ágyi poloskák és a magevő poloskák, mint például a tejespoloska (Oncopeltus fasciatus). Eddig azonban csak nagyon kevés Hemiptera fajnak van szekvenált genomja, ami kritikus DNS-forrás a fajok biológiája mögött álló gének és fehérjék megértéséhez.

A rovarok biológiai sokféleségének és a Hemipteráknak jelentős lökést adott az i5K projekt. Ez a nagy, nemzetközi konzorcium a rovarok és rokonaik 5000 genomjának szekvenálására törekszik. Ennek keretében a tejesbogár genomját 10 ország 27 csapatában dolgozó 83 kutató szekvenálta és elemezte. A Hemiptera fajra vonatkozó nagyszabású összehasonlító eredményeikről a Genome Biology című folyóiratban megjelent új tanulmányban számolnak be.

“A tejesbogarak nagyszerű fajok a tanulmányozáshoz” – magyarázza Kristen Panfilio, az egyesült királyságbeli Warwicki Egyetem és a németországi Kölni Egyetem vezető kutatója és fajkoordinátora. “A huszadik század közepe óta szolgálnak az ökológia, az anyagcsere, a fejlődés és a genetika kutatási modelljeként, részben azért, mert nagyon könnyen tarthatók. Sőt, azt a törzset, amelyet a genomprojekthez szekvenáltunk, iskolai tantermekben is használják, mivel a bogarak életciklusuk során gyönyörű narancsvörös és fekete színűek.”

A genomadatok most lehetővé teszik a kutatók számára, hogy közvetlenül összekapcsolják a géneket a táplálkozással és végső soron a bogarak szárny- és testszínével.

Az egyik legfontosabb eredmény az volt, hogy létrehozták a tejfűbogár anyagcseréjében részt vevő összes enzim adatbázisát, ami támogatja a fajok közötti összehasonlításokat.

A tejfűbogár feltűnő vörös-narancs színe valójában figyelmeztető jel a potenciális ragadozók számára: a tejfű mérgező táplálékforrás, és az élénk figyelmeztető színek azt hirdetik, hogy a bogaraknak rossz íze lenne. Ugyanezt a színezetet látjuk a monarchepillangóknál is, amelyek osztoznak ezen a táplálékforráson. Az anyagcsere-összehasonlításokból azonban most kiderült, hogy a bogarak és a pillangók a közös táplálék ellenére különböző enzimekkel rendelkeznek az esszenciális aminosavak (a fehérjék építőkövei) kezelésére.

Ezeknek az aminosavaknak egy része szükséges a rovarnak a szárnyak készítéséhez. A szárnyak a pontos szerkezet, valamint a szín kialakításának eredménye.

Az új genomi információk lehetővé tették a kutatók számára, hogy kísérletileg teszteljék a szárnyfejlődés egyik kulcsfontosságú szabályozó génjének finom változatait (izoformáit), az RNS-interferencia (RNAi) néven ismert technika segítségével.

“Miután több mint tizenöt éve foglalkozunk a szárnyfejlődéssel, izgalmas, hogy most már hozzáférünk a genomhoz, hogy teljes mértékben elemezhessünk néhány ilyen nagyon összetett gént” – részletezi a társszerző Deniz Erezyilmaz, aki a cikkhez szükséges RNAi-kísérleteket az amerikai Stony Brook Egyetemen végezte, jelenleg pedig az angliai Oxfordi Egyetemen dolgozik.

Az új tanulmány azt is megállapítja, hogy az erősen specializált folyékony táplálkozású fajok, mint például a levéltetvek és az ágyi poloskák, nemcsak bizonyos anyagcsere-enzimeket hajlamosak elveszíteni, hanem még a szagló- és ízérzékelő receptoraik szélességét is.

Ezzel szemben a tejfűbogár, amely előszeretettel keres és táplálkozik tejfű növényekkel széles földrajzi területen, megtartja az érzékszervi fehérjék sokkal teljesebb repertoárját. Ugyanakkor a tejfűbogarak és néhány közeli rokonuk újonnan szerzett génekkel rendelkeznek baktériumokból, a géneket közvetlenül a bogár genomjába integrálva.

Az új gének egy része olyan enzimeket biztosít, amelyek segítenek ezeknek a növényevő állatoknak megemészteni a növényi szövetek kemény cellulózt, többek között a bűzbogárban, egy invazív kártevő fajban. Annak ismerete, hogy mely gének támogatják az invazív fajok táplálkozását, segítheti a kutatókat az integrált kártevőirtási stratégiák kidolgozásában.

Végezetül a tanulmány rávilágít a poloskák genomjának molekuláris jellemzőire. A gyümölcslegyeknek és a darazsaknak nagyon kicsi, kompakt genomjuk van, míg a poloskák genomjai gyakran több mint ötször nagyobbak. Tehát annak ellenére, hogy a poloskák és a legyek általában ugyanannyi génnel rendelkeznek, a szerkezetük különbözik: a poloska génjei nagy távolságra helyezkednek el a DNS mentén. A tanulmányban azonosított egyik jellegzetesség, hogy a bogárgének általában sokkal több kis egységből állnak, mint a légygének, ami az úgynevezett epizodikus introngyarapodás és -forgalom jelenségének köszönhető.

A svájci Lausanne-i Egyetem társszerzője, Robert Waterhouse kifejtette: “Ahogy a genomszekvenálási projektek egyre szélesebb körben merészkednek a rovarok és állatok sokféleségébe, a nagyobb genomokban lévő gének tulajdonságainak ismerete egyre fontosabb lesz.”

Az i5K kísérleti projekt koordinátora, Stephen Richards megjegyzi: “Sok rovarfaj mezőgazdasági kártevő vagy betegséghordozó, és a genomszekvenálás segíthet a tudósoknak kitalálni, hogyan lehet ez ellen fellépni. A genom DNS-szekvenciája azonban nem elegendő. Gratulálok Dr. Panfiliónak és a nemzetközi tejesbogár közösségnek ehhez a kiemelkedő eredményhez, amely máris felgyorsította a bogarakkal kapcsolatos kutatásokat. A tejespoloska és más fajok, például az ágyi poloska összehasonlítása kritikus fontosságú az egyes fajok egyedi értékének megértéséhez.”

A kutatók folytatják a táplálkozásökológia szempontjából fontos gének és a poloskák kapcsolódó biológiai jellemzőinek vizsgálatát. Ez magában foglalja a vörös figyelmeztető pigment molekuláris alapjait, valamint a kémiai védelemben és a fejlődésben részt vevő poloskaspecifikus fehérjéket.

.