Identifizierung des ersten bekannten Gentransfers von einer Pflanze zu einem Insekt

Ein schädlicher landwirtschaftlicher Schädling verdankt einen Teil seines Erfolgs einem Gen, das vor Millionen von Jahren von seinem Pflanzenwirt gestohlen wurde.

Die Entdeckung, berichtet heute in Zelle¹ist das erste bekannte Beispiel für einen natürlichen Gentransfer von einer Pflanze zu einem Insekt. Dies erklärt auch einen der Gründe, warum die weiße Fliege Bemisia tabaci ist so geschickt darin, Pflanzen zu knabbern: Das Gen, das er Pflanzen entnommen hat, ermöglicht es ihm, ein Toxin zu neutralisieren, das einige Pflanzen produzieren, um sich gegen Insekten zu verteidigen.

Frühe Arbeiten legen nahe, dass die Hemmung dieses Gens Weiße Fliegen für das Toxin anfällig machen und einen potenziellen Weg zur Bekämpfung des Schädlings darstellen kann. “Dies legt einen Mechanismus offen, mit dem wir die Waage zugunsten der Pflanze kippen können”, sagt Andrew Gloss, der die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Schädlingen an der Universität von Chicago in Illinois untersucht. “Dies ist ein bemerkenswertes Beispiel dafür, wie das Studium der Evolution neue Ansätze für Anwendungen wie den Pflanzenschutz aufzeigen kann.”

Die winzige Weiße Fliege, die eher mit Blattläusen als mit Fliegen verwandt ist, verursacht weltweit Chaos in der Landwirtschaft. Bemisia tabaci ist einer der zerstörerischsten Schädlinge von Pflanzen: Weißfliegen-Süßsaft aus Hunderten von Pflanzentypen, während eine klebrige, zuckerhaltige Substanz namens Honigtau ausgeschieden wird, die als Nährboden für Schimmelpilze dient. Weiße Fliegen sind auch Vektoren von mehr als 100 pathogenen Pflanzenviren.

Gestohlene Gene

Es ist nicht ganz überraschend, dass einige Arten von Weißen Fliegen einen Teil ihrer räuberischen Fähigkeiten den Genen anderer Organismen verdanken, da genetischer Diebstahl im Wettrüsten zwischen Pflanzen und ihren Schädlingen häufig vorkommt. Seit Millionen von Jahren haben sich Pflanzen und Insekten stark von mikrobiellen Genomen geliehen und manchmal ihre neu erworbenen Gene verwendet, um Abwehr- oder Angriffsstrategien zu entwickeln.

Einige Insekten, wie der Kaffee-Beeren-Bohrer (Hypothenemus hampei), geplünderte mikrobielle Gene, um mehr Nährstoffe aus schwer verdaulichen Pflanzenzellwänden zu extrahieren²und ein wilder Verwandter von Weizen stahl ein Pilzgen, um eine Pilzkrankheit namens Ohrenkrankheit zu bekämpfen³. Es war jedoch nicht bekannt, dass Pflanzen und Insekten sich gegenseitig stehlen.

Der Entomologe Youjun Zhang von der Chinesischen Akademie der Agrarwissenschaften in Peking und seine Kollegen gingen die B. tabaci Genom der gestohlenen Gene, als sie eines fanden, das sich nicht bei anderen Insekten oder Mikroben, sondern bei Pflanzen entwickelt zu haben schien.

Weitere Studien haben gezeigt, dass das Gen eine chemische Gruppe auf Abwehrverbindungen übertragen kann, die als phenolische Glucoside bezeichnet werden. Diese Verbindungen werden von vielen Pflanzen, einschließlich Tomaten, hergestellt, um Schädlinge abzuwehren. Aber die durch das Whitefly-Gen verursachte Veränderung machte die Verbindungen harmlos.

Um die Hypothese zu testen, entwarf das Team Tomatenpflanzen, um ein doppelsträngiges RNA-Molekül zu produzieren, das die Genexpression der Weißen Fliege unterbrechen kann. Fast alle weißen Fliegen, die sich später von diesen behandelten Tomatenpflanzen ernährten, starben.

Dieser Befund legt einen neuen Weg nahe, um Weiße Fliegen zu bekämpfen, sagt Jonathan Gershenzon, chemischer Ökologe am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena. “Es bietet eine große Chance, genau zu sein”, sagt er. “Sie könnten Weiße Fliegen fernhalten, aber nützliche Insekten wie Bestäuber nicht schädigen.”

Pflanzenschädlingsschlacht

Der Transfer von Genen zwischen Arten kann schwierig zu beweisen sein, erklärt Studienkoautor Ted Turlings, chemischer Ökologe an der Universität Neuenburg in der Schweiz. Zu diesem Zweck analysierten Zhang, Turlings und ihre Kollegen die Sequenzen ähnlicher Gene in Pflanzen und stellten fest, dass das Whitefly-Gen ihr evolutionäres Elternteil war. Das Team führte auch Analysen durch, um zu zeigen, dass das Gen in das Genom der Weißen Fliege integriert war und nicht das Ergebnis von Proben war, die die Pflanzen-DNA kontaminierten.

Die Ergebnisse waren überraschend, aber überzeugend, erklärt Yannick Pauchet, molekularer Entomologe auch am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie. “Aufgrund der von ihnen bereitgestellten Daten ist der horizontale Gentransfer die sparsamste Erklärung”, sagt er.

Es ist jedoch unklar, wie es der Weißen Fliege gelungen ist, ein Pflanzengen wegzufegen. Eine Möglichkeit, sagt Turlings, besteht darin, dass ein Virus als genetisches Zwischenmaterial diente und von einer Pflanze zum Genom der Weißen Fliege pendelte.

Wenn Forscher mehr Genome sequenzieren, ist es möglich, dass sie mehr Beispiele für den Gentransfer zwischen Pflanzen und Tieren entdecken, sagt Gloss.

“Die Insekten, die Gene aus den Pflanzen selbst entnehmen, sind nur der letzte Teil des Arsenals, den wir noch nicht gefunden haben”, sagt er. “Im Kampf zwischen Pflanzen und ihren Schädlingen oder pathogenen Insekten werden Gene aus dem ganzen Baum des Lebens gezogen.”