De oranje vleugels en het DNA van de melkkruidkever: Hoe het dieet van insecten wordt onthuld door het genoom

Een internationaal samenwerkingsverband van onderzoekers, onder meer van de School of Life Sciences van de University of Warwick, heeft het genoom van de melkwants gesequeneerd, waardoor wetenschappers op moleculair niveau kunnen begrijpen wat de kever maakt, van zijn kleurrijke ontwikkeling tot zijn giftige dieet.

De Hemiptera zijn een diverse insectenorde, met een vergelijkbaar aantal soorten als de vliegen, wespen en vlinders. Hiertoe behoren sapzuigende bladluizen, bloedzuigende bedwantsen en zaadzuigers zoals de melkwants (Oncopeltus fasciatus). Tot nu toe zijn echter van zeer weinig Hemiptera de genomen gesequenced, een essentiële DNA-bron voor het begrijpen van de genen en eiwitten achter de biologie van een soort.

Een belangrijke stimulans voor de biodiversiteit van insecten en voor de Hemiptera is gekomen van het i5K Project. Dit grote, internationale consortium streeft naar de sequentiebepaling van 5000 genomen van insecten en hun verwanten. In dit kader is het genoom van de melkwants gesequeneerd en geanalyseerd door 83 onderzoekers die in 27 teams verspreid over 10 landen werken. Zij rapporteren hun grootschalige vergelijkende resultaten over de Hemiptera in een nieuw paper gepubliceerd in het tijdschrift Genome Biology.

“Melkkruidwantsen zijn een geweldige soort om te bestuderen,” legt hoofdonderzoeker en soortcoördinator Kristen Panfilio van de Universiteit van Warwick, VK, en de Universiteit van Keulen, Duitsland, uit. “Ze dienen al sinds het midden van de twintigste eeuw als onderzoeksmodel voor ecologie, metabolisme, ontwikkeling en genetica, deels omdat ze heel gemakkelijk te houden zijn. In feite wordt de stam die we voor het genoomproject hebben gesequenteerd ook gebruikt in schoolklassen, omdat de wantsen gedurende hun hele levenscyclus een prachtige rood-oranje en zwarte kleur hebben.”

Nu stellen de genoomgegevens onderzoekers in staat genen direct te koppelen aan dieet en, uiteindelijk, de vleugel- en lichaamskleuren van de wantsen.

Een van de belangrijkste resultaten was het opzetten van een database van alle enzymen die betrokken zijn bij het metabolisme van de melkwants, waardoor vergelijkingen tussen soorten mogelijk worden.

De opvallende rood-oranje kleur van de melkwants is in feite een waarschuwingsteken voor potentiële roofdieren: melkwier is een giftige voedselbron, en felle waarschuwingskleuren kondigen aan dat de insecten slecht zouden smaken. Dit is dezelfde kleur die wordt gezien bij monarchvlinders, die deze voedselbron delen. Vergelijkingen van de stofwisseling tonen nu echter aan dat de wantsen en vlinders verschillende enzymen hebben voor het verwerken van essentiële aminozuren (de bouwstenen van eiwitten), ondanks hun gedeelde dieet.

Sommige van deze aminozuren zijn nodig voor het insect om zijn vleugels te maken. De vleugels zijn het resultaat van ontwikkeling voor zowel precieze structuur als kleur.

De nieuwe genoominformatie stelde onderzoekers in staat om subtiele varianten (isovormen) van een belangrijk regulatorgen voor de vleugelontwikkeling experimenteel te testen, met behulp van een techniek die bekend staat als RNA-interferentie (RNAi).

“Na meer dan vijftien jaar aan vleugelontwikkeling te hebben gewerkt, is het opwindend dat we nu toegang hebben tot het genoom om enkele van deze zeer complexe genen volledig te analyseren,” werkt co-auteur Deniz Erezyilmaz uit, die de RNAi-experimenten voor het artikel uitvoerde aan de Stony Brook University, VS, en nu gevestigd is aan de Universiteit van Oxford, VK.

De nieuwe studie vindt ook dat soorten met zeer gespecialiseerde vloeibare diëten, zoals bladluizen en bedwantsen, de neiging hebben om niet alleen bepaalde metabolische enzymen te verliezen, maar zelfs de breedte van hun geur- en smaakreceptoren.

In tegenstelling daarmee behoudt de melkwants, die bij voorkeur melkwierplanten over een breed geografisch bereik opzoekt en zich ermee voedt, een veel vollediger repertoire van sensorische eiwitten. Tegelijkertijd hebben melkwantsen en sommige van hun naaste verwanten nieuw verworven genen van bacteriën, waarbij de genen rechtstreeks in het insectengenoom worden geïntegreerd.

Sommige van de nieuwe genen leveren enzymen die deze planteneters helpen de taaie cellulose van het plantenweefsel te verteren, ook bij de stinkwants, een invasieve plaagdiersoort. Weten welke genen het dieet van een invasieve soort ondersteunen, kan onderzoekers helpen bij het ontwikkelen van strategieën voor geïntegreerde plaagbestrijding.

Ten slotte vestigt de studie de aandacht op moleculaire kenmerken in de genomen van insecten. Fruitvliegen en wespen hebben zeer kleine, compacte genomen, terwijl de genomen van insecten vaak meer dan vijf keer groter zijn. Dus ook al hebben insecten en vliegen meestal hetzelfde aantal genen, hun structuur verschilt, met insectengenen die ver uit elkaar liggen over het DNA. Een kenmerk dat in deze studie werd geïdentificeerd, is dat insectengenen de neiging hebben uit veel meer kleine eenheden te bestaan dan vliegengenen, als gevolg van een fenomeen dat bekend staat als episodische intron-toename en -omzet.

Co-auteur Robert Waterhouse, aan de Universiteit van Lausanne, Zwitserland, legt uit: “Naarmate genoomsequentieprojecten zich meer en meer op de grotere verscheidenheid aan insecten en dieren gaan richten, zal kennis van geneneigenschappen in grotere genomen steeds belangrijker worden.”

i5K pilot coördinator Stephen Richards merkt op, “Veel insectensoorten zijn landbouwplagen of dragen ziekten, en genoomsequencing kan wetenschappers helpen erachter te komen hoe dit te bestrijden. De DNA-sequentie van het genoom is echter niet genoeg. Ik feliciteer Dr. Panfilio en de internationale gemeenschap van melkwantsen met deze uitstekende prestatie, die het onderzoek naar wantsen al in een stroomversnelling heeft gebracht. Het vergelijken van de melkwants met andere soorten zoals de bedwants is van cruciaal belang om de unieke waarde van elke soort te begrijpen.”

Onderzoekers zullen doorgaan met het onderzoeken van genen die belangrijk zijn voor de voedingsecologie en gerelateerde biologische kenmerken bij wantsen. Dit omvat de moleculaire basis voor het rode waarschuwingspigment, evenals insect-specifieke eiwitten die betrokken zijn bij chemische bescherming en ontwikkeling.