Aripile portocalii și ADN-ul insectei de lăptișor de matcă: Cum sunt dezvăluite dietele insectelor de către genom

O colaborare internațională de cercetători, inclusiv de la Școala de Științe ale Vieții din cadrul Universității din Warwick, au secvențiat genomul insectei de lăptișor de matcă, permițându-le oamenilor de știință să înțeleagă la nivel molecular ceea ce face insecta, de la dezvoltarea sa colorată până la dieta sa toxică.

Hemipterele sunt un ordin de insecte diverse, cu un număr de specii similar cu cel al muștelor, viespilor și fluturilor. Acesta include afidele care sug seva, gândacii de pat care sug sânge și cei care se hrănesc cu semințe, cum ar fi gândacul de lăptișor de matcă (Oncopeltus fasciatus). Cu toate acestea, până în prezent, foarte puține Hemiptera au genomurile secvențiate, o resursă ADN esențială pentru înțelegerea genelor și proteinelor care stau la baza biologiei unei specii.

Un impuls major pentru biodiversitatea insectelor și pentru Hemiptera a venit din partea Proiectului i5K. Acest consorțiu internațional de mari dimensiuni urmărește să secvențieze 5000 de genomuri de insecte și de rude ale acestora. În acest cadru, genomul insectei lăptișor de matcă a fost secvențiat și analizat de 83 de cercetători care au lucrat în 27 de echipe din 10 țări. Aceștia își prezintă rezultatele comparative la scară largă privind Hemiptera într-o nouă lucrare publicată în revista Genome Biology.

„Gândacul de lăptișor de matcă este o specie foarte bună de studiat”, explică cercetătorul principal și coordonatorul speciei, Kristen Panfilio de la Universitatea din Warwick, Marea Britanie, și Universitatea din Köln, Germania. „Ele au servit drept model de cercetare pentru ecologie, metabolism, dezvoltare și genetică încă de la mijlocul secolului al XX-lea, în parte pentru că sunt foarte ușor de întreținut. De fapt, tulpina pe care am secvențiat-o pentru proiectul genomului este, de asemenea, folosită în sălile de clasă din școli, deoarece insectele au o frumoasă culoare roșu-portocaliu și negru pe tot parcursul ciclului lor de viață.”

Acum, datele genomului le permit cercetătorilor să lege direct genele cu dieta și, în cele din urmă, cu culorile aripilor și ale corpului insectelor.

Un rezultat cheie a fost crearea unei baze de date cu toate enzimele implicate în metabolismul insectei de lăptișor de matcă, sprijinind comparațiile între specii.

Culoarea roșie-portocalie izbitoare a insectei de lăptișor de matcă este, de fapt, un semn de avertizare pentru potențialii prădători: lăptișorul de matcă este o sursă de hrană toxică, iar culorile strălucitoare de avertizare anunță că insectele ar avea un gust neplăcut. Aceasta este aceeași colorație observată la fluturii monarh, care împărtășesc această sursă de hrană. Cu toate acestea, comparațiile metabolismului dezvăluie acum că insectele și fluturii au enzime diferite pentru manipularea aminoacizilor esențiali (elementele constitutive ale proteinelor), în ciuda dietei lor comune.

Câțiva dintre acești aminoacizi sunt necesari pentru ca insecta să își confecționeze aripile. Aripile sunt rezultatul dezvoltării pentru o structură precisă, precum și pentru culoare.

Noile informații despre genom au permis cercetătorilor să testeze experimental variante subtile (izoforme) ale unei gene reglatoare cheie pentru dezvoltarea aripilor, folosind o tehnică cunoscută sub numele de interferență ARN (RNAi).

„După ce am lucrat la dezvoltarea aripilor timp de peste cincisprezece ani, este interesant faptul că acum avem acces la genom pentru a analiza pe deplin unele dintre aceste gene foarte complexe”, elaborează coautorul Deniz Erezyilmaz, care a efectuat experimentele RNAi pentru lucrare la Universitatea Stony Brook, SUA, și care se află acum la Universitatea din Oxford, Marea Britanie.

Noul studiu descoperă, de asemenea, că speciile cu diete lichide foarte specializate, cum ar fi afidele și gândacii de pat, tind să piardă nu numai anumite enzime metabolice, ci chiar și amploarea receptorilor lor olfactivi și gustativi.

În schimb, gândacul de lăptișor de matcă, care caută și se hrănește în mod preferențial cu plante de lăptișor de matcă pe o arie geografică largă, păstrează un repertoriu mult mai complet de proteine senzoriale. În același timp, gândacii de lăptișor de matcă și unele dintre rudele lor apropiate au dobândit noi gene de la bacterii, integrând genele direct în genomul gândacilor.

Câteva dintre noile gene furnizează enzime care ajută acești hrănitori de plante să digere celuloza dură a țesuturilor vegetale, inclusiv la gândacul urât mirositor, o specie dăunătoare invazivă. Cunoașterea genelor care susțin dieta unei specii invazive poate ajuta cercetătorii în dezvoltarea strategiilor de gestionare integrată a dăunătorilor.

În cele din urmă, studiul evidențiază caracteristicile moleculare din genomul insectelor. Muștele de fructe și viespile au genomuri foarte mici și compacte, în timp ce genomurile insectelor sunt adesea de peste cinci ori mai mari. Astfel, chiar dacă insectele și muștele tind să aibă același număr de gene, structura lor diferă, genele insectelor fiind foarte distanțate de-a lungul ADN-ului. O caracteristică identificată în acest studiu este faptul că genele insectelor tind să fie alcătuite din mult mai multe unități mici decât genele muștelor, datorită unui fenomen cunoscut sub numele de câștig și reînnoire episodică a intronilor.

Coautorul Robert Waterhouse, de la Universitatea din Lausanne, Elveția, explică: „Pe măsură ce proiectele de secvențiere a genomului continuă să se aventureze în gama mai largă a diversității insectelor și animalelor, cunoașterea proprietăților genelor din genomurile mai mari va fi din ce în ce mai importantă.”

Coordonatorul proiectului pilot i5K, Stephen Richards, comentează: „Multe specii de insecte sunt dăunători în agricultură sau sunt purtătoare de boli, iar secvențierea genomului îi poate ajuta pe oamenii de știință să afle cum să combată acest lucru. Cu toate acestea, secvența ADN a genomului nu este suficientă. Îl felicit pe Dr. Panfilio și comunitatea internațională a insectelor de lăptișor de matcă pentru această realizare remarcabilă, care a accelerat deja cercetarea asupra insectelor. Compararea insectei de lăptișor de matcă cu alte specii, cum ar fi gândacul de pat, este esențială pentru a înțelege valoarea unică a fiecărei specii.”

Cercetătorii vor continua să investigheze genele importante pentru ecologia hrănirii și caracteristicile biologice legate de insecte. Aceasta include baza moleculară pentru pigmentul roșu de avertizare, precum și proteinele specifice insectelor implicate în protecția chimică și în dezvoltare.