Le ali arancioni della cimice del latte e il DNA: Come le diete degli insetti sono rivelate dal genoma

Una collaborazione internazionale di ricercatori, tra cui la School of Life Sciences dell’Università di Warwick, ha sequenziato il genoma della cimice del latte, permettendo agli scienziati di capire a livello molecolare ciò che rende l’insetto, dal suo sviluppo colorato alla sua dieta tossica.

Gli Hemiptera sono un ordine di insetti diversi, con un numero di specie simile alle mosche, vespe e farfalle. Questo include afidi che succhiano la linfa, cimici del letto che succhiano il sangue, e mangiatori di semi come la cimice del latte (Oncopeltus fasciatus). Tuttavia, finora pochissimi Hemiptera hanno sequenziato i genomi, una risorsa critica del DNA per comprendere i geni e le proteine dietro la biologia di una specie.

Una spinta importante per la biodiversità degli insetti e per gli Hemiptera è venuta dal progetto i5K. Questo grande consorzio internazionale cerca di sequenziare 5000 genomi di insetti e dei loro parenti. In questo quadro, il genoma della cimice del latte è stato sequenziato e analizzato da 83 ricercatori che lavorano in 27 squadre in 10 paesi. Essi riportano i loro risultati comparativi su larga scala sugli Hemiptera in un nuovo documento pubblicato sulla rivista Genome Biology.

“Le cimici del latte sono una grande specie da studiare”, spiega il ricercatore principale e coordinatore della specie Kristen Panfilio dell’Università di Warwick, Regno Unito, e dell’Università di Colonia, Germania. “Sono serviti come modello di ricerca per l’ecologia, il metabolismo, lo sviluppo e la genetica dalla metà del ventesimo secolo, in parte perché sono molto facili da mantenere. Infatti, il ceppo che abbiamo sequenziato per il progetto del genoma è anche usato nelle aule scolastiche, poiché gli insetti sono di un bel colore rosso-arancio e nero durante il loro ciclo di vita.”

Ora, i dati del genoma permettono ai ricercatori di collegare direttamente i geni con la dieta e, in definitiva, i colori delle ali e del corpo degli insetti.

Un risultato chiave è stato quello di creare un database di tutti gli enzimi coinvolti nel metabolismo della cimice del latte, supportando i confronti tra le specie.

Il sorprendente colore rosso-arancione della cimice del latte è infatti un segnale di avvertimento per i potenziali predatori: il latte è una fonte di cibo tossico, e i colori brillanti annunciano che gli insetti avrebbero un cattivo sapore. Questa è la stessa colorazione vista nelle farfalle monarca, che condividono questa fonte di cibo. Tuttavia, i confronti del metabolismo ora rivelano che gli insetti e le farfalle hanno enzimi diversi per gestire gli amminoacidi essenziali (i blocchi di costruzione delle proteine), nonostante la loro dieta condivisa.

Alcuni di questi amminoacidi sono necessari all’insetto per fare le sue ali. Le ali sono il risultato dello sviluppo di una struttura precisa e del colore.

Le nuove informazioni sul genoma hanno permesso ai ricercatori di testare sperimentalmente sottili varianti (isoforme) di un gene regolatore chiave per lo sviluppo delle ali, utilizzando una tecnica nota come RNA interference (RNAi).

“Avendo lavorato sullo sviluppo delle ali per oltre quindici anni, è emozionante che ora abbiamo accesso al genoma per analizzare completamente alcuni di questi geni molto complessi”, elabora il co-autore Deniz Erezyilmaz, che ha condotto gli esperimenti RNAi per il documento presso la Stony Brook University, USA, e ora ha sede presso l’Università di Oxford, UK.

Il nuovo studio trova anche che le specie con diete liquide altamente specializzate, come gli afidi e le cimici dei letti, tendono a perdere non solo alcuni enzimi metabolici, ma anche l’ampiezza dei loro recettori olfattivi e gustativi.

Al contrario, la cimice del latte, che cerca e si nutre preferibilmente di piante di latte in un ampio raggio geografico, mantiene un repertorio molto più completo di proteine sensoriali. Allo stesso tempo, le cimici del latte e alcuni dei loro parenti stretti hanno acquisito nuovi geni dai batteri, integrando i geni direttamente nel genoma dell’insetto.

Alcuni dei nuovi geni forniscono enzimi che aiutano questi mangiatori di piante a digerire la dura cellulosa dei tessuti vegetali, anche nella cimice puzzolente, una specie infestante invasiva. Sapere quali geni supportano la dieta di una specie invasiva può aiutare i ricercatori a sviluppare strategie per la gestione integrata dei parassiti.

Infine, lo studio evidenzia le caratteristiche molecolari nei genomi degli insetti. I moscerini della frutta e le vespe hanno genomi molto piccoli e compatti, mentre i genomi delle cimici sono spesso oltre cinque volte più grandi. Così, anche se gli insetti e le mosche tendono ad avere lo stesso numero di geni, la loro struttura differisce, con i geni degli insetti che sono ampiamente distanziati lungo il DNA. Una caratteristica identificata in questo studio è che i geni degli insetti tendono ad essere composti da molte più piccole unità rispetto ai geni delle mosche, a causa di un fenomeno noto come guadagno episodico di introni e turnover.

Il co-autore Robert Waterhouse, dell’Università di Losanna, in Svizzera, spiega: “Mentre i progetti di sequenziamento del genoma continuano ad avventurarsi nella più ampia gamma di diversità di insetti e animali, la conoscenza delle proprietà dei geni nei genomi più grandi sarà sempre più importante.”

Il coordinatore del pilota i5K Stephen Richards commenta: “Molte specie di insetti sono parassiti agricoli o portano malattie, e il sequenziamento del genoma può aiutare gli scienziati a capire come combatterli. Tuttavia, la sequenza del DNA del genoma non è sufficiente. Mi congratulo con il Dr. Panfilio e la comunità internazionale della cimice del milkweed per questo risultato eccezionale, che ha già accelerato la ricerca sulle cimici. Confrontare la cimice del latte con altre specie come la cimice del letto è fondamentale per capire il valore unico di ogni specie”.”

I ricercatori continueranno a studiare i geni importanti per l’ecologia dell’alimentazione e le caratteristiche biologiche collegate nelle cimici. Questo include la base molecolare per il pigmento rosso di avvertimento così come le proteine specifiche delle cimici coinvolte nella protezione chimica e nello sviluppo.