Badania genomiczne ujawniają pochodzenie jadu pszczół, który poprzedzał użądlenie

Pszczoły, osy i mrówki należą do rzędu Hymenoptera i w momencie użądlenia wstrzykują całą mieszaninę toksycznych składników. Pomimo ogromnego znaczenia ekologicznego i gospodarczego, niewiele było wcześniej wiadomo na temat pochodzenia jego jadu. Dzięki szeroko zakrojonym badaniom genomicznym zespół naukowców pod kierunkiem dr Björna von Reumonta z Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie odkrył, że typowe składniki toksyczne były już obecne u przodków pierwszego błonkoskrzydłego i dlatego musiały wyewoluować przed użądleniami pszczół i innych owadów . Co więcej, wbrew wcześniejszym przypuszczeniom, gen odpowiedzialny za toksynę melitynową występuje wyłącznie u pszczół.

Toksyny ewoluowały w wielu grupach zwierząt niezależnie od siebie. Jedną z grup obejmujących wiele jadowitych gatunków jest Hymenoptera – rząd owadów, który obejmuje również owady kłujące, takie jak pszczoły, osy i mrówki. Hymenoptera jest bardzo bogata gatunkowo, z ponad 6000 gatunków pszczół. Jednak pomimo wielkiego znaczenia ekologicznego i gospodarczego błonkoskrzydłych niewiele wiadomo na temat ewolucyjnego rozwoju ich jadu.

Za pomocą genomiki porównawczej naukowcy pod kierownictwem dr Björna von Reumonta, obecnie naukowca wizytującego w Grupie Roboczej ds. Bioinformatyki Stosowanej w Instytucie Biologii Komórki i Neuronauki na Uniwersytecie Goethego we Frankfurcie, po raz pierwszy systematycznie badali, w jaki sposób najważniejsze składniki pszczół jad i inne gatunki błonkoskrzydłych mogły ewoluować w trakcie rozwoju. Toksyny są złożoną mieszaniną składającą się z małych białek (peptydów) oraz kilku większych białek i enzymów. Kłujące owady wstrzykują ten toksyczny koktajl ofierze lub napastnikowi za pomocą specjalnego urządzenia kłującego.

W pierwszym kroku badacze ustalili, które peptydy i białka w jadzie błonkoskrzydłych występują najczęściej u błonkoskrzydłych. W tym celu oparli się na informacjach z baz danych dotyczących białek, choć były one nieliczne. Ponadto przeanalizowali białka w jadzie dwóch gatunków dzikich pszczół — ciecierzy fiołkowych (Xylocopa violacea) i cietrzewia pospolitego (Halictus scabiosae) — a także pszczół miodnych (Apis mellifera). Odkryli te same 12 „rodzin” peptydów i białek we wszystkich analizowanych toksynach błonkoskrzydłych. Najwyraźniej jest to „powszechny składnik” tych toksycznych koktajli.

We współpracy z kolegami z Instytutu Analizy Zmian Bioróżnorodności Leibniza (LIB), Politechniki w Monachium (TUM) i Centrum Translacyjnej Genomiki Bioróżnorodności LOEWE (LOEWE TBG) zespół badawczy szukał następnie genów tych 12 organizmy Rodziny peptydów i białek w 32 genomach Gatunki błonkoskrzydłych, w tym pszczoły potowe i pszczoły żądlące, ale także osy i mrówki, takie jak słynna mrówka ognista (Solenopsis invicta). Różnice w tych genach, które w niektórych przypadkach polegały po prostu na wymianie pojedynczych liter kodu genetycznego, pomogły naukowcom określić powiązania między genami różnych gatunków, a później – przy pomocy sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego – złożyć szczep. O genach toksyn.

Zaskakującym wynikiem było to, że wiele analizowanych genów toksyn było obecnych u wszystkich błonkoskrzydłych. Jest oczywiste, że wspólny przodek wszystkich taksonów Hymenoptera posiadał już te geny. „To sprawia, że ​​jest bardzo prawdopodobne, że błonkoskrzydłe jako cała grupa są jadowite” – podsumowuje von Reymont. „W przypadku innych grup, takich jak Toxicofera, do których należą węże, jaszczurki i legwany, nauka wciąż toczy debatę, czy toksyny można powiązać od wspólnego przodka, czy też wyewoluowały oddzielnie”.

W obrębie błonkoskrzydłych tylko owady żądlące — pszczoły, osy i mrówki — mają rzeczywiste żądło, które dostarcza jad. Z kolei starożytne ewolucyjnie muszki pasożytnicze używają aparatu do składania jaj za pomocą jaj do wstrzykiwania substancji zmieniających fizjologię rośliny żywicielskiej: na przykład osa drzewna Sirex (Sirex noctilio) nie wprowadza grzyba do rośliny, co ułatwia rozmnażanie. Badana w pracy kolonizacja drewna przez ich larwy, ale także ich toksyczne połączenie z białkami jadu. Zadaniem tych białek jest stworzenie w roślinie odpowiednich warunków dla larw. „Oznacza to, że osa pospolita może być również sklasyfikowana jako jadowita” – mówi von Reaumont.

Nowymi składnikami jadu pszczół są gen peptydu melityny oraz geny przedstawicieli nowo opisanej rodziny białek antofiliny-1. Fakt, że melityna jest kodowana tylko przez jeden gen, był dla badaczy zaskoczeniem, jak wyjaśnia von Reymont: „Istnieje nie tylko wiele różnych wariantów melityny, ale peptyd stanowi również do 60 procent suchej masy melityny .” „Jad pszczeli. Dlatego nauka wcześniej zakładała, że ​​musi istnieć wiele kopii genu. Udało nam się to bardzo wyraźnie obalić.” Ponieważ odkryli gen melityny tylko u pszczół, badacze podważyli także hipotezę, że należy on do grupy przypuszczalnych genów jadu owadów kłujących, zwanych akuleatoksynami. Von Reymont jest przekonany: „To po raz kolejny pokazuje nam, że dane genomiczne to jedyny sposób na wyciągnięcie znaczących wniosków na temat ewolucji genów jadu”.

Badanie frankfurckie jako pierwsze wykazało dla całej grupy owadów, która obejmuje około miliona gatunków, skąd pochodzą geny jadu i jak ewoluowały. Stanowi punkt wyjścia do śledzenia ewolucji genów jadu u przodków błonkoskrzydłych, a także specjalizacji w obrębie tej grupy. Aby jednak móc przeprowadzić genomikę porównawczą na dużą skalę, należy najpierw zautomatyzować metody analizy bardzo dużych rodzin białek.

Opublikowali: Ivan Kolodarov, Marianna Velaske, Tobias Sinoner, Thomas Timm, Carola Greif, Alexandre Ben Hamadou, Deepak Kumar Gupta, Günter Lochnitt, Michael Heisinger, Andreas Vilsinskas, Rosalyn Glagg, Brooke A. Harbour, Lars Podsiadłlowski, Burkhard Rust, Timothy N. W. Jackson, Sebastian Dotterter, Eckart Stoll, Björn M. von Reaumont: Dominujące geny jadu pszczelego wyewoluowały przed ostrymi żądłami i interakcjami społecznymi. Biologia BMC, (2023) https://doi.org/10.1186/s12915-023-01656-5

Pobierz obraz:

https://www.uni-frankfurt.de/146271865

Podpis: Składniki koktajlu jadowego wykorzystywanego przez dzikie pszczoły, takie jak pszczoła błotna (Megachile ericetorum), są ewolucyjnie starsze niż ich żądło. Zdjęcie: Bjorn von Reaumont