Геном клопа-молочника раскрывает связь между диетой, окраской и ДНК насекомых

Международная группа исследователей, включая учёных из Университета Уорика, секвенировала геном клопа-молочника (Oncopeltus fasciatus). Это позволило понять на молекулярном уровне, что определяет его биологию — от яркой окраски до питания токсичными растениями.

Отряд Hemiptera (полужесткокрылые) чрезвычайно разнообразен и включает тлей, постельных клопов и растительноядных клопов-молочников. Однако до сих пор было секвенировано очень мало геномов Hemiptera. Работа выполнена в рамках масштабного проекта i5K, целью которого является секвенирование 5000 геномов насекомых. Консорциум из 83 исследователей из 10 стран проанализировал геном и опубликовал результаты в журнале Genome Biology.

Связь диеты и окраски

Яркая красно-оранжевая окраска клопа-молочника — это предупреждающий сигнал для хищников. Насекомое питается ядовитым молочаем, и яркий цвет указывает на его несъедобность. Аналогичную окраску имеет бабочка-монарх, которая также питается молочаем.

• Сравнительный метаболизм показал, что у клопов и бабочек разные ферменты для обработки незаменимых аминокислот, несмотря на общую диету.
• Некоторые из этих аминокислот необходимы для формирования крыльев, которые сочетают в себе точную структуру и цвет.

Гены и развитие

Наличие полного генома позволило экспериментально протестировать различные изоформы ключевого гена-регулятора развития крыльев с помощью техники РНК-интерференции (RNAi).

Диета и эволюция генома

Исследование выявило, что виды с узкоспециализированной жидкой диетой (тли, постельные клопы) теряют не только некоторые метаболические ферменты, но и разнообразие обонятельных и вкусовых рецепторов.

В отличие от них, клоп-молочник, который целенаправленно ищет и питается молочаем, сохранил гораздо более полный набор сенсорных белков. При этом у клопов-молочников и их близких родственников обнаружены новые гены, приобретённые от бактерий и встроенные непосредственно в геном насекомого.

• Некоторые из этих генов кодируют ферменты, помогающие переваривать жёсткую целлюлозу растений. Это характерно, например, для щитника-вредителя.
• Знание того, какие гены поддерживают диету инвазивного вида, может помочь в разработке стратегий интегрированной борьбы с вредителями.

Особенности геномов клопов

Геномы плодовых мух и ос очень компактны, в то время как геномы клопов часто более чем в пять раз больше. Хотя количество генов у них схоже, их структура отличается:

• Гены клопов расположены вдоль ДНК на большем расстоянии друг от друга.
• Гены клопов состоят из гораздо большего количества мелких единиц из-за явления эпизодического приобретения и оборота интронов.

Это исследование закладывает основу для дальнейшего изучения генов, важных для пищевой экологии и связанных биологических особенностей клопов, включая молекулярную основу красного предупреждающего пигмента и специфичных белков, участвующих в химической защите и развитии.