Das Genom des Roten Wolfsmilchkäfers bietet evolutionäre Einblicke in die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Insekten

Die Erforschung der Geheimnisse, wie sich der Rote Wolfsmilchkäfer sicher von einer giftigen Pflanze ernähren kann, trägt dazu bei, die ökologischen, evolutionären und wirtschaftlichen Auswirkungen von Insekten-Pflanzen-Interaktionen aus genomischer Sicht zu beleuchten.

Obwohl die Beziehung zwischen dem Roten Wolfsmilchkäfer und Wolfsmilchgewächsen seit fast 150 Jahren untersucht wird, hat sich ein Wissenschaftler der Arkansas Agricultural Experiment Station kürzlich mit Kollegen an der University of Memphis und der University of Wisconsin Oshkosh zusammengetan, um das zu tun, was sonst niemand getan hat – die Pflanze zu kuratieren Das Genom des Käfers und sein Arsenal an Genen, die mit der Pflanzenernährung und anderen biologischen Merkmalen zusammenhängen.

Die Forscher sequenzierten und zusammengesetzten das gesamte Genom des Wirtsspezial-Wolfsmilchkäfers (Tetraopes tetrophthalmus). Anschließend verglichen sie Aspekte der Genombiologie mit einem Verwandten, dem Wirtsgeneralisten Asiatischen Laubholzbockkäfer (Anoplophora glabripennis), einer invasiven exotischen Art, die sich von einer Vielzahl von Bäumen ernährt, die für die Forstwirtschaft wichtig sind.

Ihre Studie mit dem Titel „Funktionelle und evolutionäre Einblicke in Chemosensation und spezialisierte Pflanzenfresser aus dem Genom des Roten Wolfsmilchkäfers“ lautet veröffentlicht im Zeitschrift für Vererbung.

„Aus biologischer Sicht gibt es viele Übereinstimmungen, die darauf hindeuten, dass langjährige Interaktionen zwischen Wolfsmilchkäfern und ihren giftigen Wolfsmilchwirten die Biologie beider Interaktionspartner beeinflussen sollten“, sagte Rich Adams, einer der Hauptautoren der Studie. „Aber bis heute hat noch niemand das Genom des Wolfsmilchkäfers zusammengestellt, was die Tür für viele interessante Fragen an der Schnittstelle zwischen Insekt und Pflanze öffnet.“

Adams ist Assistenzprofessor für Agrarstatistik in der Abteilung für Entomologie und Pflanzenpathologie der Systemabteilung für Landwirtschaft der University of Arkansas. Er ist außerdem Mitglied des Center for Agricultural Data Analytics, einer neuen Initiative der Experimentierstation, und unterrichtet Statistikkurse am Dale Bumpers College of Agricultural, Food and Life Sciences.

Wissenschaftliche Entwicklung

Wolfsmilchpflanzen und Wolfsmilchkäfer (Gattung Tetraopes) seien seit über einem Jahrhundert der Forschung in den Bereichen Ökologie, Evolution, Entwicklungsbiologie, Biochemie von Toxinen und mehr als wertvolle Modelle untersucht worden, sagte Adams. Sie liefern auch einen interessanten und überzeugenden Fall von Kodivergenzmustern zwischen Insekten und Pflanzen – was bedeutet, dass Pflanzen und Insekten in ihrer Interaktionsgeschichte Ähnlichkeiten im Timing der Koevolution aufweisen, erklärte Adams.

Das Forschungsteam zeigte, dass der Rote Wolfsmilchkäfer offensichtlich über eine Erweiterung der Gene der ABC-Transportfamilie verfügt, was ihm helfen könnte, sich von Wolfsmilchpflanzen zu ernähren und seine Giftstoffe im Käfergewebe zu binden. Wolfsmilchpflanzen sind bekannt für ihre giftigen Latexcocktails, die das Gleichgewicht von Natrium, Kalzium und Kalium beeinflussen, das die Herzzellen am Laufen hält. Adams sagte, dieses Genom biete Einblicke in die Gene, die der Käfer entwickelt habe, um sicher mit seinen giftigen Wolfsmilchwirten zu interagieren.

„Wolfsmilch produziert neben anderen Arten von Toxinen, die damit einhergehen, eine besonders unangenehme Art von Toxinen namens Herzglykoside“, sagte Adams. „Bei vielen Insekten, die es fressen, blockiert das Toxin ihre Natrium-Kalium-Pumpen. Aber dieser Käfer hat eine Möglichkeit entwickelt, dem Toxin nicht nur zu widerstehen, sondern es auch zu binden, festzuhalten und die Käfer selbst vor potenziellen Angriffen zu schützen. Raubtiere sein.

Die Studie zeigte auch Unterschiede in den Genen auf, die für Geruch, Geschmack und Stoffwechselenzyme verantwortlich sind, die die Pflanzenzelle gut abbauen. Adams sagte, es biete einen neuen Blickwinkel für die Erforschung der Ökologie und Entwicklung der spezialisierten Pflanzenernährung bei Laubholzbockkäfern und anderen pflanzenfressenden Käfern.

Anwendungen in der Landwirtschaft, menschliche Gesundheit

Diese Erkenntnisse können uns helfen, die genetischen Faktoren zu verstehen und zu identifizieren, die land- und forstwirtschaftliche Schädlinge prägen und es ihnen ermöglichen, sich erfolgreich von Pflanzen zu ernähren und sich den Bekämpfungsbemühungen zu entziehen. Die meisten Tiere, die holziges Pflanzenmaterial verdauen können, sind auf Mikroben in ihrem Darm angewiesen, um pflanzliche Zellwände aufzubrechen; Bei vielen pflanzenfressenden Käfern ist dies jedoch nicht der Fall.

Adams sagte, viele pflanzenfressende Käfer, darunter auch Bockkäfer, hätten durch horizontale Genübertragungen von Mikroben die Fähigkeit erworben, pflanzliche Zellwände aufzubrechen. Durch die Untersuchung der Vielfalt der in den Käfergenomen kodierten Proteine ​​könnten Wissenschaftler mehr über die genomischen Grundlagen der Käferbiologie, Evolution und Diversität sowie über ihre Neigung zur Interaktion mit Pflanzen erfahren.

„Die Natur hat bereits eine unglaubliche Vielfalt an Genen und Genomen geschaffen, die wir noch nicht entschlüsselt haben“, sagte Adams. „Das Verständnis dieser Vielfalt ist vielversprechend für die Information der Land- und Forstwirtschaft sowie der menschlichen Gesundheit. Pflanzenfressende Käfer hätten ohne ihre Stoffwechselenzyme Schwierigkeiten, sich von Pflanzen zu ernähren, da sie ohne sie nicht effektiv fressen können.“

Zusätzlich zur Untersuchung der genomischen DNA des Wolfsmilchkäfers sammelte das Team RNA von männlichen und weiblichen Antennen des Roten Wolfsmilchkäfers, um mehr darüber zu erfahren, wie sie durch Chemosensorik nach Partnern und Nahrung suchen.

„Mehr über die chemosensorische Biologie zu erfahren – wie ein Organismus seine Umgebung wahrnimmt, etwa eine Wirtspflanze oder einen Fortpflanzungspartner – ist von großer Bedeutung für das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Insekten und Pflanzen, die für die Land- und Forstwirtschaft von großer Bedeutung sind“, sagte Adams.

Das RNA-Profil lieferte die erste transkriptomische Ressource für Tetraopes. Ein Transkriptom enthält eine Reihe von Genen, die in RNA-Moleküle transkribiert werden, die ein Organismus in einem Gewebe oder einer Zellgruppe exprimiert.

Die DNA liefert eine Gensequenz, und die RNA bietet „eine bessere Auflösung des Gens und seiner Expression, einschließlich der Häufigkeit, mit der das Gen hergestellt wird“, erklärte Adams.