Znajdź zawartość

Mszyce grochowe (Acyrthosiphon pisum), zwane też grochowiankami, są jedynymi zwierzętami na świecie, które samodzielnie wytwarzają karotenoidy. Dotąd sądzono, że żółte, czerwone i pomarańczowe barwniki, będące naturalnymi przeciwutleniaczami oraz prekursorami witaminy A, wytwarzają jedynie rośliny, a zwierzęta muszą je sobie zapewnić, odpowiednio komponując dietę. Prof. Nancy Moran z University of Arizona zwraca uwagę na rozpowszechnienie karotenoidów. Wg niej, jeśli się dobrze rozejrzeć, są niemal wszędzie. Zapewniają dobry wzrok, "dbają" o zdrowie skóry czy wzrost kości. To do tej grupy barwników należy beta-karoten - główny prekursor witaminy A, który nadaje korzeniowi marchwi pomarańczowy kolor. Złota barwa żółtka, róż krewetek i łososia, czerwień flamingów, pomidorów, marchewek, papryki, argemonów meksykańskich czy aksamitek – [wszystko to] zawdzięczamy właśnie karotenoidom. Moran i Tyler Jarvik postanowili sprawdzić, skąd wzięła się niezwykła dla zwierząt umiejętność wytwarzania karotenoidów. Doszło do przyswojenia i skopiowania przez owady genu grzybów. Jak wyjaśnia pani biolog, transfer genów między mikroorganizmami nie jest niczym niezwykłym, ale po raz pierwszy odkryto działający gen grzybów, który stanowiłby część zwierzęcego DNA. Zwierzęta mają duże potrzeby, odzwierciedlające utratę genów przodków. To powód, dla którego musimy z pokarmem zapewnić sobie wiele aminokwasów i witamin. Do tej pory sądzono, że nie ma prostego sposobu na odzyskanie tych utraconych umiejętności. Przypadek mszyc grochowianek pokazuje jednak, że w rzeczywistości możliwe jest odtworzenie zdolności produkowania potrzebnych składników. Niewykluczone, że to niezwykle rzadka sytuacja, lecz zazwyczaj w studiach genomicznych pierwszy przykład okazywał się tylko jednym z wielu podobnych. U A. pisum, które mogą być czerwone lub zielone, występuje dziedziczenie klonalne. Oznacza to, że matki wydają na świat identyczne pod względem genetycznym córki. Kiedy więc w laboratorium Amerykanów u czerwonej odmiany 5A pojawiły się żółtozielone młode, wiadomo było, że zaszła mutacja. Nowe pokolenie oznaczono jako 5AY. Żółtawe mutanty uzyskaliśmy w 2007 roku. Od tej pory trzymaliśmy je w laboratorium jako maskotki. Sądziłam, że kiedyś uda nam się ustalić, co właściwie zaszło. W wyspecjalizowanych komórkach wewnątrz mszyc żyją symbiotyczne bakterie. Są one przekazywane z matki na dzieci i zapewniają owadom dostawy niezbędnych substancji odżywczych. Gdy giną bakterie, umierają też mszyce. Moran, specjalistka od A. pisum, wiedziała jednak, ze 3 podstawowe gatunki bakterii nie wytwarzają karotenoidów. Barwniki nie mogły też pochodzić z diety. Mszyce odżywiają się sokiem mlecznym roślin, ale jest on ubogi w karotenoidy. Co więcej, barwniki owadów różniły się od występujących zazwyczaj w roślinach. Pod koniec zeszłego roku naukowcy znali już cały genom mszyc grochowianek. Wtedy właśnie rozpoczęły się poszukiwania genów karotenoidów. Szlaki ich biosyntezy są takie same u wszystkich organizmów, dlatego zadanie nie należało do trudnych. Ku uciesze Moran sekwencjonowano genom czerwonej odmiany grochowanki, która dysponuje dodatkową kopią genu karotenoidów. Po zakończeniu wstępnego etapu naukowcy próbowali ustalić, czy geny pochodziły z DNA mszycy, czy też raczej owady zawdzięczały je mniej popularnym bakteriom symbiotycznym lub zanieczyszczeniu grzybami. Eliminując bakterie, Moran i Jarvik ustalili, że zabieg ten nie zmienił barwy młodych. Śledzenie linii odmian czerwonej, zielonej i żółtej pokazało, że w grę wchodzi dziedziczenie mendlowskie (chromosomowe). Oznacza to, że DNA kodujące czerwień stanowi część genomu mszycy. Ostatecznie ustalono, że sekwencja kodująca karotenoidy różniła się od bakteryjnych genów dla barwników, lecz pasowała do ich odpowiedników u niektórych patogennych grzybów.

Choć na temat ewolucji i związanych z nią zmian genetycznych wiemy dość dużo, dotychczas nie byliśmy w stanie uchwycić ich "w akcji". Na szczęście, dzięki omyłkowemu zawleczeniu jednego z gatunków owadów na nowe tereny, zyskaliśmy doskonałą okazję do obserwacji tego zjawiska. Autorami studium są naukowcy z University of Arizona. Badali oni tempo degeneracji genomu gatunku Buchnera aphidicola - bakterii symbiotycznych względem mszyc grochowianek (Acyrthosiphon pisum). Mikroorganizmy te przystosowały się tak doskonale do bytowania w organizmach insektów i wykorzystują tyle produktów ich organizmów, że niektóre geny przestały im być potrzebne. Ponieważ mniejsza liczba aktywnych genów pozwala na zaoszczędzenie energii i zwiększenie prawdopodobieństwa przeżycia, przedstawiciele B. aphidicola dążą do utraty znacznej części swojego DNA. Amerykańscy naukowcy postanowili zbadać, jak szybko zachodzi to zjawisko. Wybór gatunków poddanych obserwacji nie był przypadkowy - ich wzajemna interakcja zachodzi od zaledwie 135 lat, gdyż tyle czasu minęło od przypadkowego zawleczenia mszyc grochowianek na terytorium Stanów Zjednoczonych. Mamy dobry zapis historyczny tego gatunku [owadów] - mówi główna autorka badań, Nancy Moran. Ponieważ ten konkretny gatunek mszyc nie pochodzi z Ameryki Północnej, wiemy, że górny limit genetycznej dywergencji [czyli powstawania różnic genetycznych pomiędzy osobnikami - przyp. red.] symbiotycznych bakterii pochodzących od pojedynczej mszycy wynosi 135 lat lub mniej. Naukowcy z Arizony zsekwencjonowali cały genom siedmiu różnych szczepów B. aphidicola - pięciu żyjących w naturalnych warunkach w Ameryce Północnej oraz dwóch hodowanych w laboratorium. Ku zaskoczeniu badaczy okazało się, że tempo narastania zmian było aż dziesięciokrotnie większe, niż zwykło się przyjmować dla bakterii najbardziej podatnych na dywergencję. Przeprowadzone studium może być bardzo istotne dla zrozumienia procesu ewolucji oraz dopasowania się organizmów do warunków środowiska. Jego wyniki, które opublikowano na łamach czasopisma Science, możemy także, do pewnego stopnia, wykorzystać do badania pochodzenia i rozwoju naszego gatunku.