Sopravvivere in natura: l’acquisizione di difese chimiche velenose da parte delle farfalle tropicali
Dai colori brillanti e di facile riconoscimento, le farfalle del genere eliconio sono tossiche perché contengono composti in grado di rilasciare cianuro, noti come glicosidi cianogenici, che possono sia biosintetizzare che assorbire dalle piante di Passiflora, il loro partner coevolutivo, durante l’alimentazione larvale (sequestro). Finanziato dal programma di azioni Marie Skłodowska-Curie, il progetto Cyanide Evolution ha approfondito il modo in cui diverse specie trovano un equilibrio tra la biosintesi e il sequestro del cianogeno, analizzando inoltre quale sia il costo in termini di fitness presentato dalla loro tossicità. Per di più, la ricerca ha rivelato indizi relativi alla base genetica della tossicità di queste farfalle, nonché le modalità con cui varia tra diverse popolazioni. I ricercatori hanno raccolto dati inerenti alle farfalle del genere eliconio e dalle piante di Passiflora provenienti dalla foresta atlantica, un hotspot di biodiversità spesso trascurato.
Le piante tossiche come risorsa alimentare delle farfalle grazie all’evoluzione
«Il rapporto che intercorre tra le farfalle eliconine e le piante del frutto della passione è stato impiegato per esemplificare la teoria coevolutiva, elaborata nel 1964, che descrive la corsa agli armamenti effettuata da piante e insetti erbivori. Mezzo secolo dopo, non comprendiamo ancora come funzioni la mediazione chimica dell’interazione tra le eliconine e le Passifloraceae», osserva Érika Pinheiro De Castro, coordinatrice del progetto. «Chiarire questa relazione è importate poiché, mentre alcune di queste farfalle sono divenute parassiti agricoli nei campi coltivati a frutti della passione e specie invasive che minacciano la biodiversità autoctona, altre specie monofaghe sono ora vulnerabili all’estinzione. Il nostro obiettivo era quello di approfondire la comprensione del modo in cui la tossicità ha dato forma all’ampiezza della loro dieta», aggiunge De Castro. In collaborazione con lo Smithsonian Tropical Research Institute, i ricercatori hanno allevato larve di due generi, Heliconius melpomene e Heliconius cydno, su quattro specie di Passiflora caratterizzate da diversi profili cianogeni specifici, effettuando successivamente analisi metabolomiche mirate.
Importanti risultati di ricerca
Dimostrando la loro plasticità fenotipica, una capacità che dipende dalle diverse condizioni ambientali, i ricercatori hanno scoperto che le difese chimiche delle farfalle sono variabili. Questi insetti realizzano la biosintesi dei cianogeni quando non riescono ad assorbirli dai loro ospiti (la Passiflora biflora), mentre nel caso in cui li sequestrino da altri frutti della passione ospitanti, la riducono. La plasticità biochimica consente alle farfalle di mantenere il proprio livello di tossicità indipendentemente dal profilo tossico della pianta ospite. «Nelle specie più specialiste, questa plasticità biochimica è tuttavia associata a un costo in termini di fitness in quanto le dimensioni e il peso che caratterizzano gli esemplari adulti si correlano in modo negativo con i livelli di biosintesi», spiega De Castro. L’équipe del progetto ha inoltre scoperto che, nelle farfalle del genere Heliconius, la capacità di mantenere i propri livelli di tossicità dipende dal polline di cui si alimentano. «Per esempio, la deprivazione di polline si ripercuote con diversa intensità sulla farfalla Heliconius erato in base a fattori quali sesso ed età. Senza polline, nelle femmine più vecchie (45 giorni) si registrano una minore fertilità, una diminuzione del peso corporeo e livelli di tossicità inferiori. I maschi risultano invece meno condizionati da questa carenza», aggiunge De Castro. Un altro obiettivo di primaria importanza è stato quello di decifrare la traiettoria evolutiva della biosintesi di cianogeno. I ricercatori hanno concluso che una causa dell’aumento di tossicità delle farfalle Heliconius sono le duplicazioni geniche. «Alcune recenti ricerche hanno dimostrato che le falene della specie Zygaena devono la propria capacità di biosintesi dei cianogeni ai geni P450. Anche nella farfalla Heliconius melpomene è stata individuata la presenza di geni omologhi. Nel corso della nostra ricerca di questi ortologhi in un set di dati contenente 58 genomi di farfalle eliconine abbiamo rilevato la duplicazione dei citocromi CYP405A esclusivamente nei generi Heliconius ed Eueides, che sono molto più tossici rispetto ad altre farfalle di questo genere in cui è presente solo il citocromo CYP405A4», spiega De Castro. La ricerca svolta nell’ambito del progetto è tuttora in corso. «La comprensione del modo in cui la plasticità biochimica plasma l’ampiezza della dieta degli insetti erbivori è una questione senza fine. Alcune farfalle eliconine esistenti sono specie specialiste vulnerabili all’estinzione, che potrebbero non essere in grado di far fronte ai cambiamenti climatici. Al contrario, le specie più generaliste stanno diventando parassiti e potrebbero persino invadere altri ecosistemi, minacciando la biodiversità locale», conclude De Castro.
Parole chiave
Cyanide Evolution, eliconio, tossicità, Heliconius, polline, plasticità biochimica, costo di fitness, frutto della passione, ampiezza di dieta, biosintesi di cianogeno
