As asas cor-de-laranja e o ADN do insecto das algas lácteas: Como as dietas dos insectos são reveladas pelo genoma

Uma colaboração internacional de pesquisadores, incluindo da Escola de Ciências da Vida da Universidade de Warwick, sequenciaram o genoma do insecto das algas lácteas, permitindo aos cientistas compreender a nível molecular o que faz o insecto, desde o seu desenvolvimento colorido até à sua dieta tóxica.

Os Hemiptera são uma ordem diversa de insectos, com um número de espécies semelhante ao das moscas, vespas e borboletas. Isto inclui pulgões sugadores de seiva, insetos sugadores de sangue, e alimentadores de sementes como o insecto das algas leiteiras (Oncopeltus fasciatus). No entanto, até agora muito poucos Hemiptera têm sequenciado genomas, um recurso crítico de DNA para entender os genes e proteínas por trás da biologia de uma espécie.

Um grande impulso para a biodiversidade de insetos e para o Hemiptera veio do Projeto i5K. Este grande consórcio internacional procura sequenciar 5000 genomas de insectos e seus parentes. Dentro desta estrutura, o genoma do insecto-leite foi sequenciado e analisado por 83 investigadores que trabalham em 27 equipas em 10 países. Eles relatam seus resultados comparativos em larga escala sobre o Hemiptera em um novo artigo publicado na revista Genome Biology.

“Os insetos do gênero Milkweed são uma grande espécie a ser estudada”, explica Kristen Panfilio, principal investigadora e coordenadora de espécies da Universidade de Warwick, Reino Unido, e da Universidade de Colônia, Alemanha. “Eles têm servido como um modelo de pesquisa para ecologia, metabolismo, desenvolvimento e genética desde meados do século XX, em parte porque são muito fáceis de manter. De fato, a linhagem que sequenciamos para o projeto do genoma também é usada em salas de aula de escolas, pois os insetos são uma bela cor vermelho-alaranjado e preto ao longo de seus ciclos de vida”

Agora, os dados do genoma permitem aos pesquisadores ligar diretamente os genes à dieta e, em última instância, às cores das asas e do corpo dos insetos.

Um resultado chave foi criar uma base de dados de todas as enzimas envolvidas no metabolismo do insecto das algas lácteas, suportando comparações entre as espécies.

A surpreendente cor vermelha alaranjada do insecto das algas lácteas é de facto um sinal de aviso para potenciais predadores: as algas lácteas são uma fonte alimentar tóxica, e cores de aviso brilhantes anunciam que os insectos teriam mau sabor. Esta é a mesma coloração vista nas borboletas monarca, que partilham esta fonte alimentar. Contudo, as comparações do metabolismo revelam agora que os insectos e as borboletas têm diferentes enzimas para manipular os aminoácidos essenciais (os blocos de construção das proteínas), apesar da sua dieta partilhada.

Alguns destes aminoácidos são necessários para que o insecto faça as suas asas. As asas são o resultado do desenvolvimento de uma estrutura precisa bem como da cor.

A nova informação do genoma permitiu aos investigadores testar experimentalmente variantes subtis (isoformas) de um gene regulador chave para o desenvolvimento das asas, usando uma técnica conhecida como interferência do RNAi (RNAi).

“Tendo trabalhado no desenvolvimento das asas por mais de quinze anos, é excitante que agora tenhamos acesso ao genoma para analisar completamente alguns desses genes muito complexos”, elabora a co-autora Deniz Erezyilmaz, que conduziu os experimentos de RNAi para o trabalho na Universidade Stony Brook, EUA, e agora está baseada na Universidade de Oxford, Reino Unido.

O novo estudo também descobriu que espécies com dietas líquidas altamente especializadas, como afídeos e percevejos, tendem a perder não apenas certas enzimas metabólicas, mas até mesmo a amplitude de seus receptores de cheiro e sabor.

Em contraste, o percevejo das algas lácteas, que preferencialmente procura e se alimenta de plantas de algas lácteas em uma ampla faixa geográfica, retém um repertório muito mais completo de proteínas sensoriais. Ao mesmo tempo, os insetos das algas leiteiras e alguns de seus parentes mais próximos adquiriram genes de bactérias, integrando os genes diretamente no genoma do insecto.

Alguns dos novos genes fornecem enzimas que ajudam estes alimentadores de plantas a digerir a dura celulose dos tecidos vegetais, incluindo no insecto fedorento, uma espécie de praga invasora. Saber quais genes suportam a dieta de uma espécie invasiva pode ajudar os pesquisadores no desenvolvimento de estratégias para o manejo integrado de pragas.

Finalmente, o estudo destaca características moleculares nos genomas dos insetos. As moscas da fruta e vespas têm genomas muito pequenos e compactos, enquanto que os genomas dos insectos são muitas vezes mais de cinco vezes maiores. Assim, mesmo que bugs e moscas tendam a ter o mesmo número de genes, sua estrutura difere, com genes de bugs sendo amplamente espaçados ao longo do DNA. Uma característica identificada neste estudo é que os genes de insetos tendem a ser feitos de muito mais, pequenas unidades do que os genes de moscas, devido a um fenômeno conhecido como ganho episódico de intron e turnover.

Co-author Robert Waterhouse, na Universidade de Lausanne, Suíça, explica, “Como os projetos de seqüenciamento genômico continuam a se aventurar no leque mais amplo de diversidade de insetos e animais, o conhecimento das propriedades dos genes em genomas maiores será cada vez mais importante.”

i5K coordenador piloto Stephen Richards comenta, “Muitas espécies de insetos são pragas agrícolas ou carregam doenças, e o seqüenciamento genético pode ajudar os cientistas a descobrir como combater isso. No entanto, a sequência de DNA do genoma não é suficiente. Felicito o Dr. Panfilio e a comunidade internacional de insetos do leite por este feito notável, que já acelerou a pesquisa sobre insetos. Comparar o percevejo das algas lácteas com outras espécies como o percevejo de cama é fundamental para entender o valor único de cada espécie”

Pesquisadores continuarão a investigar genes importantes para alimentar a ecologia e as características biológicas ligadas aos bugs. Isto inclui a base molecular para o pigmento vermelho de alerta, bem como proteínas específicas de bugs envolvidas na proteção e desenvolvimento químico.