Pomarańczowe skrzydła i DNA pluskwiaka mleczarza: Jak diety owadów ujawnia genom

Międzynarodowa współpraca naukowców, w tym z School of Life Sciences na Uniwersytecie w Warwick, zsekwencjonowali genom pluskwy mlecznej, umożliwiając naukowcom zrozumienie na poziomie molekularnym, co czyni pluskwę, od jej kolorowego rozwoju do jej toksycznej diety.

Hemiptera to zróżnicowany rząd owadów, z podobną liczbą gatunków jak muchy, osy i motyle. Obejmuje to sap-sucking mszyce, krew-sucking pluskwy łóżkowe i karmicieli nasion jak milkweed bug (Oncopeltus fasciatus). Jednak do tej pory bardzo niewiele Hemiptera mają sekwencjonowane genomy, krytyczny zasób DNA do zrozumienia genów i białek za biologii gatunku.

Główny impuls dla bioróżnorodności owadów i dla Hemiptera pochodzi z projektu i5K. To duże, międzynarodowe konsorcjum dąży do sekwencjonowania 5000 genomów owadów i ich krewnych. W ramach tego projektu genom pluskwiaka mlecznego został zsekwencjonowany i przeanalizowany przez 83 naukowców pracujących w 27 zespołach w 10 krajach. W nowej pracy opublikowanej w czasopiśmie Genome Biology.

„Pluskwiaki to wspaniały gatunek do badań”, wyjaśnia główny badacz i koordynator gatunku Kristen Panfilio z University of Warwick, UK, i University of Cologne, Niemcy. „Służyły jako model badawczy dla ekologii, metabolizmu, rozwoju i genetyki od połowy XX wieku, częściowo dlatego, że są bardzo łatwe w utrzymaniu. W rzeczywistości, szczep, który sekwencjonowaliśmy dla projektu genomu jest również używany w klasach szkolnych, ponieważ pluskwiaki są pięknym czerwono-pomarańczowym i czarnym kolorem przez cały ich cykl życiowy.”

Teraz dane genomu pozwalają badaczom na bezpośrednie powiązanie genów z dietą i, ostatecznie, kolorami skrzydeł i ciała pluskwiaków.

Jednym z kluczowych wyników było stworzenie bazy danych wszystkich enzymów zaangażowanych w metabolizm w milkweed bug, wspierając porównania między gatunkami.

Uderzający czerwono-pomarańczowy kolor milkweed bug jest w rzeczywistości znak ostrzegawczy dla potencjalnych drapieżników: milkweed jest toksycznym źródłem pożywienia, a jasne kolory ostrzegawcze ogłaszają, że pluskwy będą smakować źle. To jest to samo ubarwienie widziane u motyli monarchy, które dzielą to źródło pożywienia. Jednak metabolizm porównania teraz ujawniają, że pluskwy i motyle mają różne enzymy do obsługi niezbędne aminokwasy (bloki konstrukcyjne białek), pomimo ich wspólnego diet.

Niektóre z tych aminokwasów są wymagane dla owada, aby jego skrzydła. Skrzydła są wynikiem rozwoju dla precyzyjnej struktury, jak również kolor.

Nowe informacje genomu pozwoliły naukowcom eksperymentalnie przetestować subtelne warianty (izoformy) kluczowego genu regulacyjnego dla rozwoju skrzydeł, przy użyciu techniki znanej jako interferencja RNA (RNAi).

„Pracując nad rozwojem skrzydeł przez ponad piętnaście lat, ekscytujące jest to, że mamy teraz dostęp do genomu, aby w pełni przeanalizować niektóre z tych bardzo złożonych genów”, mówi współautor Deniz Erezyilmaz, który przeprowadził eksperymenty RNAi w Stony Brook University, USA, a obecnie pracuje na University of Oxford, UK.

Nowe badanie stwierdza również, że gatunki z wysoce wyspecjalizowanych płynnych diet, jak mszyce i pluskwy, mają tendencję do utraty nie tylko niektórych enzymów metabolicznych, ale nawet szerokość ich zapachu i smaku receptorów.

W przeciwieństwie do tego, milkweed bug, który preferencyjnie szuka i karmić na rośliny milkweed w szerokim zakresie geograficznym, zachowuje znacznie pełniejszy repertuar białek sensorycznych. W tym samym czasie, milkweed pluskwy i niektóre z ich bliskich krewnych mają nowo nabyte geny z bakterii, integrując geny bezpośrednio do genomu bug.

Niektóre z nowych genów dostarczają enzymów, które pomagają tym karmicielom roślin strawić tkanki roślinne „twardą celulozę, w tym w smrodzie pluskwy, inwazyjny gatunek szkodnika. Wiedząc, które geny wspierają dietę inwazyjnych gatunków może pomóc naukowcom w opracowywaniu strategii zintegrowanego zarządzania szkodnikami.

Wreszcie, badanie podkreśla molekularne cechy w genomach pluskiew. Muszki owocówki i osy mają bardzo małe, zwarte genomy, podczas gdy genomy pluskiew są często ponad pięć razy większe. Więc nawet jeśli robaki i muchy mają tendencję do posiadania tej samej liczby genów, ich struktura różni się, z genami robaków są szeroko rozmieszczone wzdłuż DNA. Jedną z cech zidentyfikowanych w tym badaniu jest to, że geny robaków mają tendencję do bycia wykonanymi z wielu więcej, małych jednostek niż geny much, ze względu na zjawisko znane jako epizodyczne wzmocnienie intronów i turnover.

Coauthor Robert Waterhouse, na Uniwersytecie w Lozannie, Szwajcaria, wyjaśnia, „Jak projekty sekwencjonowania genomów nadal odważyć się na szerszy wachlarz różnorodności owadów i zwierząt, wiedza o właściwościach genów w większych genomach będzie coraz ważniejsza.”

Koordynator pilotażowych badań i5K Stephen Richards komentuje, „Wiele gatunków owadów jest szkodnikami rolniczymi lub przenosi choroby, a sekwencjonowanie genomów może pomóc naukowcom dowiedzieć się, jak z tym walczyć. Jednak sekwencja DNA w genomie nie jest wystarczająca. Gratuluję Dr. Panfilio i międzynarodowej społeczności pluskwiaków mleczaja tego wybitnego osiągnięcia, które już przyspieszyło badania nad pluskwiakami. Porównanie milkweed bug z innymi gatunkami, takimi jak pluskwa jest krytyczne, aby zrozumieć unikalną wartość każdego gatunku.”

Badacze będą nadal badać geny ważne dla ekologii karmienia i powiązanych cech biologicznych w pluskwy. Obejmuje to molekularną podstawę dla czerwonego pigmentu ostrzegawczego, jak również specyficzne dla pluskiew białka zaangażowane w ochronę chemiczną i rozwój.

.