A pompás királylepkék hernyói kizárólag a meténgfélék közé tartozó, szinte minden más fajra halálos selyemkóróból táplálkoznak. A hernyóknak azonban nemhogy nem árt a toxikus növény, de még ki is aknázzák ezen tulajdonságát: képesek elraktározni a mérget testükben, hogy így védekezzenek az éhes madarak ellen. A kutatók évtizedek óta próbálják megfejteni a különös adaptáció titkát, és néhány napja egy tudóscsoport közzétett egy fontos tanulmányt, amely azonosítja az érdekfeszítő stratégiát lehetővé tevő evolúciós változásokat.
Ahogy a Hamburgi Egyetem és a Kaliforniai Egyetem kutatói publikációjukban kifejtik, mindössze három mutációra volt szükség ahhoz, hogy a lepkehernyók sebezhetőből ellenállóvá váljanak a méreggel szemben. A szakértők ezeket a genetikai változásokat ecetmuslicákban is létrehozták, és ezek a rovarok a módosítások után szintén képesek voltak selyemkórót fogyasztani.
A kutatás a vizsgálat során tanulmányozott élőlények jobb megismerésén túl módszertani szempontból is rendkívül fontos, hiszen az első olyan munkák közé tartozik, amely során egy faj genetikai mutációinak mibenlétét úgy derítették fel, hogy a változásokat egy másik fajban génszerkesztéssel indukálták.
A természet méregkeverői
A rovarok több mint 400 millió évvel ezelőtt kezdtek növényekkel táplálkozni, ami az évmilliók során rengeteg különböző botanikai védekezési módszer, köztük igen hatásos és halálos mérgek megszületéséhez vezetett. A selyemkóró és néhány más faj, köztük egyes békák által is termelt, szívre ható glikozidok ezen kiemelkedően durva toxinok közé tartoznak.
Ahogy a vegyületcsoport neve is mutatja, ezek az anyagok megfelelő dózisban képesek megállítani a szívet vagy súlyos zavarokat okozni az idegrendszer működésében. Az afrikai vadászó törzsek tagjai évezredek óta használják ezeket a vegyületeket nyilaikon, hogy azok még halálosabbak legyenek. A gyűszűvirág szintén ebbe a csoportba tartozó mérge pedig gyakori szereplője azoknak a krimiknek, amelyekben a gyilkos mérgezéssel teszi el láb alól áldozatát.
A szívglikozidok a nátriumpumpák működését akadályozzák, amelyek minden állati sejt működéséhez szükségesek.
Ahogy Susanne Dobler, a kutatás molekuláris biológus vezetője mondja, ez az ionpumpa egy olyan sebezhetőség az állatok szervezetében, amit a növények különösen hatékonyan tudnak megcélozni. A nátriumpumpák feladata, hogy a pozitív nátriumionokat kijuttassák a sejtből, annak belsejét negatívabbá téve. A szívizomsejtekben ez a folyamat létfontosságú a koordinált összehúzódásokhoz, az idegsejtek pedig az így létrejövő potenciálkülönbség révén küldenek jeleket az agy felé. Ha a nátriumpumpák leállnak, az mindezen funkciókra kihat.
Opportunista vegyészek
A veszélyek ellenére a pompás királylepkék mára teljesen függővé váltak a selyemkórótól. A nőstény lepkék a növényre rakják le petéiket, a hernyók pedig csak a leveleket eszik, mielőtt bebábozódnak. De a selyemkóró szerepe az állatok felnőtt korában sem csökken:
ahogy átalakulnak, az eredetileg a hernyók emésztőrendszerében raktározott méreg a fejlődő pillangók szárnyaiba kerül át, így a lepkék a bábból kibújva repülő méregraktárakká válnak.
A pompás királylepkét elfogyasztani próbáló madarak így rövidesen visszaöklendezik a rovart.
Annak megértésére, hogyan tettek szert a lepkék a mérgek tolerálását, sőt, hasznosítását lehetővé tevő adaptációkra, Dobler és kollégái azzal kezdték, hogy összehasonlították néhány rovarfaj genomját, amelyek szintén ellenállnak a szívglikozidoknak. Többek közt néhány más selyemkórót fogyasztó rovart is bevettek a vizsgálatba. Az elemzés során elsősorban a nátriumpumpákat kódoló génekre koncentráltak a méregnek ellenálló fajokban, például a Tetraopes tetrophthalmus és az Oncopeltus fasciatus esetében.
Mint kiderült, a vizsgált rovarok többsége ugyanazt a három mutációt hordozza genomjában. Ezek a változások azonban nem egyszerre, hanem ahogy a vizsgálatból szintén kiderült, fokozatosan, egymást követően alakultak ki. A pompás királylepkék például osztoznak az egyik mutáción egy rokon lepkefajjal, amely azonban nem eszik selyemkórót. Egy még közelebbi rokonuk pedig egy másikat hordoz a mutációk közül: ez a faj megeszi a selyemkóró leveleit, de nem raktározza el a mérget testében. A harmadik mutáció valószínűleg egy még közelebbi közös ősben alakult ki először.
Ezek a genombeli változások fokozatosan átalakították a királylepkék elődeinek nátriumpumpáit, úgy változtatva meg azok szerkezetét, hogy a szívglikozidok mára nem tudják megzavarni az ionpumpák működését. Ennek köszönhetően a rovarok számára elérhetővé vált egy olyan táplálékforrás, amelyet rajtuk kívül csak nagyon kevesen képesek elfogyasztani.
Ellenálló muslicák
Annak tesztelését, hogy ez a három mutáció valóban lehetővé teszi-e a selyemkóró fogyasztását, Noah Whiteman evolúciós biológus és társai végezték. A szakértők CRISPR-génszerkesztéssel „átvezették” a mutációkat néhány ecetmuslica genomjába. A muslicák alapesetben rohadó gyümölcsökön élnek, és a szívglikozidok egészen kis mennyiségben is halálosak számukra.
A génszerkesztés során a kutatók követték a korábbi vizsgálatok által feltárt evolúciós utat, vagyis először csak a kronologikusan az első mutációt váltották ki a muslicákban. Amikor az ezt hordozó lárvákkal szívglikozidokkal kevert élesztőgombákat etettek, azok kis mennyiség esetén túlélték a mérget.
A második mutáció bevezetése után a muslicák már nagyobb mennyiségben is elviselték a toxint, a harmadik mutációnak köszönhetően pedig teljesen ellenállóvá váltak azzal szemben.
A három genombeli változtatás megtörténte után az ecetmuslicák már a szárított selyemkórót is minden gond nélkül megették. A harmadik mutációnak ráadásul volt még egy fontos hatása: a muslicák elkezdték kis mennyiségben testükben tárolni a szívglikozidokat, felhasználva a mérget a ragadozók elleni védekezésben.
Mindennek megvan az ideje
Whiteman és társai a többi rezisztens faj vizsgálata nyomán azt is igazolták, hogy ez a bizonyos harmadik mutáció, amely a legnagyobb hatású a szívglikozidokkal szemben, mindig az első kettő után jelenik meg. Ennek köze lehet ahhoz, hogy mint kiderült, a kérdéses genetikai változásnak van egy kellemetlen mellékhatása:
ha egyedül, a másik két mutáció nélkül van jelen a genomban, görcsrohamokat válthat ki.
Miután a kutatók a csak a harmadik mutációt hordozó ecetmuslicákat egy centrifugában megpörgették, a rovarok néhány percig súlyos görcsökben fetrengtek. Génszerkesztésen át nem esett társaik, és a mindhárom mutációt hordozó egyedek ugyanakkor a laborbeli „körhintázás” után minden probléma nélkül lábra álltak és elsétáltak.
Az úgynevezett 122-es mutáció tehát a jelek szerint csakis akkor hasznos a rovarok számára, ha megelőzi a másik két genetikai változás. Önmagában ugyanis ez a genetikai módosulás úgy alakítja át a nátriumpumpákat, hogy közben megnövelik a görcsrohamok kialakulásának esélyét. A másik két mutáció viszont valahogy képes kompenzálni ezt a hatást.
Azt már korábbi, más fajok kapcsán végzett vizsgálatok is sugallták, hogy a mutációk sorrendje nagyon fontos az evolúció során. Például baktériumok antibiotikumokkal szembeni rezisztenciája kapcsán is vannak olyan genetikai változások, amelyek csak akkor hasznosak a törzs számára, bizonyos más mutációk után következnek be. A pompás királylepkék kapcsán most bebizonyosodott, hogy nincs ez másként az állatvilágban sem.
