Un equipo de investigación del Instituto Max Planck de Ecología Química en Jena, Alemania, muestra en un nuevo estudio cómo los escarabajos de las hojas podrían usar con éxito fuentes de alimentos nuevas y previamente indigestas en el curso de la evolución. Los insectos adquirieron enzimas de microorganismos a través de la transferencia horizontal de genes que les permitió degradar las pectinas, componentes sólidos de la pared celular de las plantas. Dado que los productos de degradación resultantes de la digestión de pectina no son per se cruciales para el crecimiento y desarrollo de los escarabajos, los investigadores concluyen que los escarabajos alteran la pared celular para acceder al citoplasma rico en proteínas de las células vegetales, que necesitan para su nutrición.
Los hallazgos de fósiles de daños por alimentación de insectos en las plantas son evidencia de que los insectos han estado usando las plantas como fuente de alimento durante más de 400 millones de años. Los investigadores dirigidos por Roy Kirsch y Yannick Pauchet del Departamento de Simbiosis de Insectos están investigando cómo los insectos herbívoros pueden descomponer los componentes difíciles de digerir de su alimento vegetal en primer lugar. En trabajos anteriores, ya habían demostrado que las enzimas que degradan la pectina están muy extendidas en las especies de escarabajos herbívoros. También pudieron demostrar que estas enzimas de escarabajos eran invariablemente de origen microbiano. Por lo tanto, la pregunta del estudio actual era cuán importantes son estas enzimas para la nutrición y el estado físico del insecto, en este caso, el escarabajo de la hoja de mostaza. Phaedon cochleariae.
«Nuestro objetivo era comprender mejor cómo los insectos herbívoros se ocupan de la pared celular de la planta, que constituye la mayor parte de su dieta. La pectina es la matriz que incrusta fibras de celulosa y hemicelulosa dentro de la pared celular de la planta, y es el componente principal de la célula- conectando laminillas medias. En consecuencia, la pectina debe digerirse primero para que las enzimas celulasa y hemicelulasa puedan acceder a sus sustratos y las células vegetales finalmente se liberen de su pared celular protectora. En este contexto, la acción de las pectinasas, es decir, las enzimas que degradan la pectina, son clave para la digestión eficiente de la dieta de un escarabajo», dice el primer autor Roy Kirsch.
Para estudiar el papel de las pectinasas, los investigadores generaron líneas de escarabajos en las que estas enzimas no estaban presentes. Inicialmente, esto resultó ser más difícil de lo esperado». «Ni siquiera una reducción drástica de la actividad de la pectinasa a través de experimentos de eliminación de ARNi en larvas de escarabajo de la hoja fue suficiente para inhibir efectivamente la digestión de la pectina. Solo pudimos anular por completo los genes que codifican la pectinasa en los escarabajos de las hojas aplicando la edición del genoma CRISPR/Cas9», dice el líder del estudio Yannick Pauchet, subrayando la importancia de las «tijeras genéticas», una tecnología para la que Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudna recibió el Premio Nobel de Química 2020.
Las larvas «mutantes sin pectinasa» generadas de esta manera resultaron tener una baja capacidad de supervivencia. Otra pregunta ahora era si los productos de degradación de la digestión de pectina mejorarían la tasa de supervivencia de estos escarabajos cuando se aplicaran por vía oral a las larvas de escarabajo. Sin embargo, como mostraron los experimentos de alimentación, este no fue el caso. «Por un lado, este resultado fue un poco sorprendente para nosotros. Pero, por otro lado, fue un indicador importante de que los escarabajos de las hojas no digieren la pectina para usar sus productos de descomposición para su propio metabolismo, sino que alteran la pectina, y probablemente otros polisacáridos de la pared celular vegetal, para acceder al citoplasma rico en proteínas de las células vegetales», resume Roy Kirsch los resultados.
La investigación de los últimos años, incluida la del grupo de proyecto de Yannick Pauchet, ha demostrado que la adquisición de enzimas microbianas a través de la transferencia horizontal de genes contribuyó a la abundancia de especies de escarabajos de las hojas, pero también de representantes de otras familias de insectos, como gorgojos, escarabajos descortezadores y escarabajos palo. insectos La apropiación de enzimas de otros organismos microbianos es como un atajo evolutivo; en cualquier caso, creó las condiciones para que los insectos abrieran plantas ricas en pectina como fuente de alimento en primer lugar. «Quizás haya algo de ironía en el hecho de que las pectinasas probablemente evolucionaron primero en las plantas para adaptar dinámicamente la estructura de la pectina a las necesidades cambiantes de la planta. Estas enzimas luego fueron adquiridas por microbios patógenos de las plantas, que a su vez las donaron a los insectos herbívoros. Plant las estrategias de adaptación aparentemente siempre implican riesgos y efectos secundarios», dice Roy Kirsch.
Sin embargo, también hay especies de escarabajos de las hojas que albergan bacterias simbióticas que producen pectinasas para sus huéspedes. Los llamados experimentos «knockin», en los que se introduce un gen de pectinasa en el genoma del escarabajo usando CRISPR-Cas9, ahora están planeados para mostrar cómo este nuevo rasgo del escarabajo afecta no solo las interacciones entre plantas e insectos, sino también las interacciones entre insectos y sus socios bacterianos. Los estudios futuros también se centrarán en otras enzimas que no degradan la pectina sino otros componentes de la pared celular vegetal. El trabajo de Roy Kirsch, Yannick Pauchet y su equipo muestra que para que un insecto sobreviva en una planta huésped, no es solo la adaptación a las defensas de la planta, como las toxinas y los inhibidores de la alimentación y otros metabolitos secundarios, lo que es crucial. Los científicos se centran más bien en el metabolismo primario, que hasta ahora se ha descuidado en la investigación sobre las interacciones planta-insecto. «La capacidad de un insecto para digerir estos metabolitos primarios es igualmente importante para el éxito evolutivo de los insectos herbívoros», dice Yannick Pauchet.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Instituto Max Planck de Ecología Química. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
