Dodano: 26 marzec 2021r.

Owady, które ukradły gen roślinom i wykorzystały go przeciwko nim

Miliony lat temu podobne do mszyc owady zwane mączlikami włączyły do swojego genomu część DNA roślin. Ta kradzież pozwoliła im neutralizować toksyny wydzielane przez roślinę w celu odstraszania owadów i zapewniła bezpieczne żerowanie. To najbardziej wyraźnym przykład owadów skutecznie przejmujących zestaw narzędzi genetycznych swoich ofiar, aby użyć go przeciwko nim.

Owady, które ukradły gen roślinom i wykorzystały go przeciwko nim

 

Mączlik ostroskrzydły (Bemisia tabaci) osiąga około jednego mm długości. Zarówno larwy, jak i dorosłe osobniki wysysają soki z roślin, powodując zahamowanie ich rozwoju. Owady te żerują na około 600 gatunkach roślin i są poważnym zagrożeniem dla rolnictwa na całym świecie. Są też wektorem groźnych wirusów roślinnych i patogenów grzybowych. Do tego są odporne na wiele środków owadobójczych. Nowe badania, opublikowane na łamach pisma „Cell” sugerują, że to kradzież genu od roślin, która miała miejsce miliony lat temu, pomogła stać się mączlikom jednym z najbardziej znanych szkodników w rolnictwie.

Kradzieże genów

Szukając genów leżących u podstaw zdolności mączlików do unikania strategii obrony roślin naukowcy sekwencjonowali genomu mączlika ostroskrzydłego. Ted Turlings z Uniwersytetu w Neuchâtel w Szwajcarii i Youjun Zhang z Chińskiej Akademii Nauk Rolniczych oraz ich współpracownicy odkryli gen znany jako BtPMaT1. To gen, który zazwyczaj występuje u roślin i nigdy wcześniej nie zaobserwowano go u owadów.

BtPMaT1 pełni ważne funkcje. Rośliny wytwarzają toksyny, aby bronić się przed atakiem zwierząt i owadów. Naukowcy podejrzewają, że gen ten pomaga roślinom neutralizować i bezpiecznie przechowywać toksyczne cząsteczki w nieszkodliwej formie, aby rośliny same się nie zatruły. Ale mączlikom ostroskrzydłym podkradziony gen pozwala unikać tych mechanizmów obronnych.

Kradzież genów to znane zjawisko w wyścigu zbrojeń między roślinami i szkodnikami. Przez miliony lat rośliny i owady zapożyczały geny od drobnoustrojów, czasami wykorzystując je do opracowywania strategii obronnych lub ofensywnych. Niektóre owady, takie jak kornik kawowiec (Hypothenemus hampei), pożyczyły sobie geny drobnoustrojów, aby móc pozyskiwać więcej składników odżywczych z trudno przyswajalnych ścian komórkowych roślin. Z kolei dziki krewny pszenicy ukradł geny pewnego gatunku grzyba, co pozwoliło mu walczyć z fuzariozą zbóż – groźną chorobą zbóż wywoływaną przez kilka gatunków grzybów. Jednak dotąd nie było do końca wiadomo, czy rośliny i owady okradają się nawzajem z genów.

Ten proces wymiany genów znany jest jako poziomy transfer genów i pozwala organizmom natychmiastowo nabyć geny ukształtowane przez pokolenia doboru naturalnego innych gatunków. Zjawisko to obserwowane jest zazwyczaj u gatunków pozostających ze sobą w ścisłych relacjach ekologicznych i odpowiada za takie cechy jak oporność na antybiotyki czy zjadliwość drobnoustrojów. 

Korzystanie z narzędzi genetycznych swoich ofiar

- Dziesięć czy dwadzieścia lat temu nikt nie sądził, że ten rodzaj transferu genów jest możliwy - mówi Roy Kirsch z Instytutu Ekologii Chemicznej im. Maxa Plancka w Jenie w Niemczech, który nie był zaangażowany w badania. - Jest wiele barier, które gen musi pokonać, aby przejść z rośliny do owada, ale to badanie jasno pokazuje, że tak się stało i że ten gen zapewnia korzyści mączlikom- dodaje.

BtPMaT1 pozwala roślinom neutralizować klasę związków chemicznych zwanych glikozydami fenolowymi, które są niezwykle toksyczne dla owadów. Możliwość, że mączliki mogą wykorzystywać ten gen do tolerowania roślinnych toksyn uczeni potwierdzili w doświadczeniach.

Zespół zmodyfikował rośliny pomidorów tak, aby wytworzyły dwuniciową cząsteczkę RNA zdolną do zahamowania ekspresji genu mączlika. Następnie zespół wypuścił na pomidory mączlika ostroskrzydłego. Po tygodniu żerowania na genetycznie zmodyfikowanych roślinach wszystkie z około 2500 owadów padło. W grupie kontrolnej, gdzie owady żerowały na niezmienionych roślinach, zginęło jedynie 20 proc. osobników w tym czasie. Tak drastyczny efekt sugeruje, że gen ten odgrywa ważną rolę w pomaganiu tym owadom omijania mechanizmów obronnych roślin.

- To niezwykle rzadkie zdarzenie, ale kiedy mówimy o miliardach owadów i roślin oddziałujących na siebie przez miliony lat, staje się to bardziej możliwe. Poziomy transfer genów może być ważnym mechanizmem umożliwiającym szkodnikom zdobywanie umiejętności radzenia sobie z obroną roślin – wyjaśnia Turlings.

Jak owady pozyskały gen rośliny?

Naukowcy przebadali sekwencje podobnych do BtPMaT1 genów w innych roślinach i ustalili, że gen występujący mączlika ostroskrzydłego jest ich ewolucyjnym krewnym. Zespół przeprowadził również analizy, aby wykazać, że gen został zintegrowany z genomem owadów i nie był wynikiem zanieczyszczenia próbek DNA roślin. Jednak, jak wskazał Turlings, transfer genów między gatunkami jest bardzo trudny do udowodnienia.

Nie jest jednak jasne, w jaki sposób owadom udało się pozyskać gen od rośliny. Być może, jak wskazali uczeni, w transfer zaangażowany był wirus, który przeniósł materiał genetyczny z rośliny do genomu owadów. W miarę postępu badań genetycznych być może naukowcom uda się odkryć więcej przykładów przenoszenia genów między roślinami i owadami i odkryć procesy za tym stojące.

Odkrycie, że mączlik ostroskrzydły wykorzystuje skradziony gen roślinny, aby uniknąć mechanizmów obronnych żywiciela, może stanowić drogę do nowych strategii zwalczania szkodników. Można by chociażby opracować środki, które zabijają szkodniki, a nie szkodzą pożytecznym owadom, takim jak zapylacze.

 

Źródło: Nature, fot. Jixing Xia/ Zhaojiang Guo