Biológovia potvrdili prvý prirodzený prenos génu z rastliny na hmyz

Kristína Kocáková

Široko rozšírený poľnohospodársky škodca vďačí za svoj úspech génu získanému z rastliny, ktorou sa živí.

Molica tabaková (bemisia tabaci) na listoch mäty. Zdroj: iStockphoto.com

Ilustračný obrázok, Zdroj: iStockphoto.com

Medzi rastlinami a hmyzom, ako medzi každým predátorom a korisťou, prebiehajú už zhruba 400 miliónov rokov evolučné preteky. 

Hmyz sa živí rastlinou. Rastlina si vytvorí mechanizmus, ktorým hmyz odpudí. Hmyz si vyvinie schopnosť obísť tento mechanizmus. Rastlina si vytvorí nový spôsob, ako sa hmyzu vyhnúť. A tak ďalej. 

V odbornej literatúre nazývajú biológovia tento proces podľa postavy v knihe Alica v krajine zázrakov hypotéza Červenej kráľovnej (The Red Queen Hypothesis). 

Červená kráľovná v knihe totiž Alici vysvetľuje, že v jej svete musí človek bežať zo všetkých síl, aby ostal na jednom mieste. 

Toto pravidlo metaforicky platí aj v biológii. Každý organizmus sa musí neustále vyvíjať, aby si udržal svoje miesto v potravinovom reťazci, keďže všetky organizmy okolo neho sa tiež neustále zlepšujú. 

Červená šachová figúrka dámy. Zdroj: iStockphoto.com

Zdroj: iStockphoto.com

Ako ostať na jednom mieste?

Na to, aby sa organizmus udržal „na jednom mieste“, existujú rôzne spôsoby. 

Doktor Jixing Xia so svojimi kolegami z Čínskej akadémie poľnohospodárskych vied v Pekingu publikoval pred niekoľkými týždňami štúdiu v prestížnom časopise Cell, podľa ktorej objavili jeden veľmi špeciálny spôsob. 

Vo výskume sa snažili nájsť pôvod mechanizmu, vďaka ktorému sú molice z nadčeľade Aleyrodoidea, konkrétne druh Bemisia tabaci, schopné živiť sa širokým množstvom poľnohospodársky významných rastlín. 

Tieto molice sú považované za škodcu, najmä v tropických oblastiach. V mnohých krajinách každoročne páchajú škody v hodnote miliónov dolárov.  

Nová štúdia odhalila, že molice sú úspešné vďaka génu, ktoré pred tisícmi rokov prevzali priamo od rastlín, ktorými sa živia.  

Existujú rôzne spôsoby prenosu génov

V mnohobunkových organizmoch sa gény takmer výlučne prenášajú len z rodičov na potomka, čiže vertikálne

Nové gény vznikajú prirodzenou mutáciou alebo podobným mechanizmom, ktorý nejakým spôsobom modifikuje genetickú informáciu (DNA) jedinca. 

Ak týmto procesom vznikne gén, ktorý dodá jedincovi výhodu v jeho prostredí (napríklad ak spôsobí, že srsť má farbu, ktorá lepšie splýva s prostredím), jedinec bude pravdepodobnejšie žiť dlhšie, mať viac potomkov, ktorým tento gén odovzdá, vďaka čomu sa gén rozšíri do celej populácie. 

Zaujímavé je, že napríklad baktérie majú schopnosť rozdať nápomocné gény všetkým jedincom naokolo, nielen svojim potomkom. Dokážu totiž „vystrihnúť“ kópiu génu zo svojej DNA a priamo ju odovzdať ďalšej baktérii, ktorá si ju zakomponuje do vlastnej genetickej informácie. Tento proces sa nazýva horizontálny prenos génov. Práve vďaka nemu sú bakteriálne kolónie schopné si veľmi rýchlo vytvoriť rezistenciu proti antibiotikám. 

Horizontálny prenos génu medzi baktériami a mnohobunkovými organizmami bol zaznamenaný v niekoľkých prípadoch. Napríklad chrobák z druhu Hypothenemus hampei či hlístovec Meloidogyne incognita si od rôznych baktérií prevzali niekoľko génov, ktoré im umožňujú získať viac živín z inak ťažko stráviteľných bunkových stien rastlín. 

Dôkaz prenosu medzi dvoma mnohobunkovými organizmami sa však až doteraz nenašiel. 

Nečakaný objav

Väčšina rastlín sa proti bylinožravcom chráni produkciou toxických zlúčenín, ktoré ukladajú napríklad v listoch či stonkách. 

Najtypickejšou zlúčeninou sú fenolické glycozidy, ktoré dokážu výrazne ovplyvniť rast, vývoj a správanie sa hmyzu. Napriek tomu existuje celá škála bylinožravého hmyzu, kam spadajú aj molice, odolného voči týmto efektom. 

Doktor Jixing Xia a jeho tím sa rozhodli preskúmať genóm molíc, aby pochopili, vďaka čomu táto odolnosť vznikla. 

Molica tabaková (bemisia tabaci) na listoch a kvetoch cukety. Zdroj: iStockphoto.com

Molica tabaková (bemisia tabaci) na listoch a kvetoch cukety. Zdroj: iStockphoto.com

Po porovnaní genómu molíc s genómom druhov hmyzu, ktoré voči fenolickým glycozidom odolné nie sú, objavili jeden konkrétny gén, ktorý v neodolných druhoch chýbal. 

Gén BtPMaT1 kóduje proteín, ktorý dokáže fenolické glycozidy neutralizovať, a tak chráni molice pred ich negatívnymi dôsledkami.

Zaujímavejšie ako objavenie tohto génu bolo zistenie, že gén ani žiaden jeho príbuzný sa nenachádzajú v genómoch iného hmyzu, bezstavovca, ba dokonca živočícha. 

Rodina génov veľmi podobná génu BtPMaT1 sa však hromadne vyskytuje v rôznych druhoch rastlín. 

Verdikt bol teda jasný: molice vo svojom DNA uchovávajú gén „ukradnutý“ z úplne inej ríše pomyselného stromu života. 

Ako prebieha prenos?

Mechanizmus, akým sa gén z ríše rastlín dokáže dostať do hmyzieho DNA, nie je úplne jasný. 

V súčasnosti vedci najviac podporujú hypotézu, že rastlinu pred 35 miliónmi rokov napadol vírus, ktorý od nej gén prevzal. Následne molica rastlinu zjedla, tak sa infikovala vírusom, ktorý sa v nej nachádzal. Keďže jej nový gén ponúkal výhodu, rozšírila ho do zvyšku populácie cez svoje potomstvo. 

Vedci naďalej na tejto hypotéze pracujú, na úplné potvrdenie si budeme musieť počkať. 

Objav však definitívne potvrdil, že prirodzený prenos génov medzi extrémne vzdialenými druhmi je naozaj možný. 

Veľký objav pre poľnohospodárov

Z hľadiska evolúcie má tento objav značný význam, veľkú váhu má však aj v poľnohospodárstve. 

V rámci výskumu vytvoril tím doktora Jixinga geneticky modifikované rajčiaky, ktoré produkovali látku schopnú deaktivovať produkt génu BtPMaT1. 

Po tom, ako molice skonzumovali listy rajčiakov, nevedeli stráviť fenolické glikozidy a zomreli. Podľa výsledkov experimentu dochádzalo k 100-percentnej úmrtnosti molíc. 

Sadenice rajčín. Zdroj: iStockphoto.com

Sadenice rajčiakov. Zdroj: iStockphoto.com

Naopak, pri pokusoch vedci nezaznamenali úmrtnosť iných druhov hmyzu, ktoré spomínaný gén vo svojej genetickej výbave nemajú. 

Vyplýva z toho, že modifikácia rajčiaku ich nijako neovplyvňuje. 

Vedci preto plánujú naďalej testovať tento model. Ich cieľom je vytvoriť plodinu, ktorá bude odolná proti škodcom, ako sú molice.

Zdroj

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.02.014

Operačný program MSSR

Investícia do Vašej budúcnosti
Tento projekt je podporený z Európskeho fondu regionálneho rozvoja

Táto webová stránka vznikla vďaka podpore v rámci Operačného programu Integrovaná infraštruktúra pre projekt: Podpora národného systému pre popularizáciu výskumu a vývoja
(kód ITMS: 313011T136), spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.