Jak tropikalne motyle zdobyły truciznę, by przetrwać w środowisku naturalnym?
Jaskrawo ubarwione i łatwe do dostrzeżenia motyle z rodziny Heliconiinae są trujące – w ich ciałach występują związki uwalniające cyjanek zwane glikozydami cyjanogennymi. Związki te mogą powstawać w wyniku biosyntezy, a także mogą być pozyskiwane z roślin męczennicy w czasie żerowania larw w procesie sekwestracji. Finansowany w ramach programu działań „Maria Skłodowska-Curie” projekt Cyanide Evolution skupiał się na badaniu sposobu, w jaki różne gatunki równoważą biosyntezę i sekwestrację cyjanu oraz jaką cenę płacą poszczególne gatunki ze względu na swoją toksyczność. Co więcej, w toku badań uczonym udało się odkryć szereg wskazówek, które mogą świadczyć o genetycznych fundamentach toksyczności motyli Heliconiinae, oraz różnic występujących w rożnych populacjach. Naukowcy zebrali dane związane z motylami należącymi do rodziny Heliconiinae i męczennicami z puszczy Mata Atlântica – miejsca charakteryzującego się wyjątkową różnorodnością biologiczną, często pomijanego przez badaczy.
Jak ewolucja pozwoliła motylom żywić się toksycznymi roślinami?
„Powiązania między motylami z rodziny Heliconiinae z roślinami męczennicy zostały wykorzystane jako przykład teorii koewolucji (z 1964 r.) opisującej wyścig zbrojeń między roślinami a roślinożernymi owadami. Pół wieku później wciąż nie rozumiemy działania chemicznego pośrednictwa w oddziaływaniach między motylami i roślinami”, zauważa koordynatorka projektu Érika Pinheiro De Castro. „Wyjaśnienie tej zależności jest kluczowe – choć niektóre motyle z rodziny Heliconiinae są obecnie uważane za szkodniki pól uprawnych, a także gatunki inwazyjne zagrażające różnorodności biologicznej, jest także wśród nich szereg gatunków monofagicznych zagrożonych wyginięciem. Dlatego podjęliśmy próbę zrozumienia, w jaki sposób toksyczność tych motyli wpłynęła na różnorodność ich diety”, dodaje De Castro. Dzięki nawiązaniu współpracy ze Smithsonian Tropical Research Institute badacze mieli możliwość hodowli larw motyli H. melpomene i H. cydno na czterech odmianach męczennicy charakteryzujących się różnymi zawartościami cyjanu, a następnie przeprowadzili ukierunkowane analizy metabolomiczne.
Kluczowe wyniki badań
Naukowcy odkryli, że chemiczne mechanizmy obronne motyla są zmienne – wykazują fenotypową elastyczność, w zależności od otoczenia. W związku z tym dokonują biosyntezy cyjanów, gdy nie są w stanie pozyskać ich z rośliny – gospodarza (Passiflora biflora), a gdy mogą dokonać sekwestracji potrzebnych substancji z innych gatunków męczennicy, ograniczają biosyntezę. Ta elastyczność biochemiczna pozwala im na utrzymanie stałego poziomu toksyczności niezależnie od toksyczności rośliny, na której żerują. „Okazuje się jednak, że elastyczność biochemiczna wiąże się z pewną ceną, którą płacą jako bardziej wyspecjalizowane gatunki – rozmiary i waga dorosłych osobników są bezpośrednio skorelowane z poziomami biosyntezy”, wyjaśnia De Castro. Badacze odkryli także, że zdolność motyli Heliconius do utrzymania poziomu toksyczności zależy od spożywanego pyłku. „Brak dostępności pyłku ma różny wpływ na motyle H. erato w zależności od ich płci i wieku. Bez pyłku stare samice (w wieku 45 dni) ograniczają swoją płodność, spada także ich masa ciała i poziom toksyczności. Samce nie odczuwają podobnych konsekwencji niedoboru pyłku”, dodaje De Castro. Innym ważnym celem było rozszyfrowanie ewolucyjnej trajektorii biosyntezy cyjanu. Naukowcy doszli do wniosku, że duplikacje genów powodują u tych motyli wzrost toksyczności. „Ostatnie badania wykazały, że ćmy z rodzaju Zygaena zawdzięczają zdolność do biosyntezy cyjanu genom P450. Podobne geny znaleziono również w genomie motyla H. melpomene. Poszukując tych ortologów w zbiorze danych zawierającym 58 genomów motyli z rodziny Heliconiinae, stwierdziliśmy, że cytochromy CYP405As zostały zduplikowane jedynie w rodzajach Heliconius i Eueides. Te rodzaje są bardziej toksyczne niż inne motyle z rodziny Heliconiinae, u których występuje wyłącznie cytochrom CYP405A4”, wyjaśnia De Castro. Badania w ramach projektu wciąż trwają. „Zrozumienie procesu kształtowania diety owadzich roślinożerców w związku z elastycznością biochemiczną jest wyjątkowo ważne! Istnieją pewne motyle z rodziny Heliconiinae, które są gatunkami wyspecjalizowanymi zagrożonymi wyginięciem – istnieje ryzyko, że mogą nie poradzić sobie ze skutkami zmiany klimatu. Z drugiej strony motyle będące generalistami stają się szkodnikami, a nawet gatunkami inwazyjnymi w innych ekosystemach, przez co mogą stanowić zagrożenie dla różnorodności biologicznej”, podsumowuje De Castro.
Słowa kluczowe
Cyanide Evolution, Heliconiinae, toksyczność, Heliconius, pyłek, elastyczność biochemiczna, przystosowanie, męczennica, różnorodność diety, biosynteza cyjanu
