To evolutionære veje til cyanidbombe - 23.05.2011

En plante og et insekt indeholder identiske forsvarsstoffer og frigiver cyanid ved angreb. Nye forskningsresultater fra Institut for Plantebiologi og Bioteknologi på KU-LIFE viser, at de danner forsvarsstofferne på samme måde, men at plante og insekt har brugt to uafhængige evolutionære veje til at kunne danne disse stoffer. Resultaterne blev publiceret i Nature Communications i april.

Både planter og insekter forsvarer sig mod at blive ædt ved at danne et eller flere forsvarsstoffer, som kan være ganske giftige. I naturen findes flere hundrede tusinde forskellige forsvarsstoffer, og ofte findes stofferne i både plante-og dyreriget. Cyanogene glukosider er en meget udbredt gruppe af forsvarsstoffer, som både findes i mange insektarter og i mange vilde og dyrkede plantearter. Både i insekter og i planter omdannes disse stoffer enzymatisk, så der frigives cyanid, når en fjende angriber.

 

En del insekter kan optage cyanogene glukosider fra deres værtsplante og efterfølgende bruge dem i deres eget forsvar. Andre insekter kan selv danne cyanogene glukosider, som ligner de cyanogene glukosider, som findes i planter.

 

Den dagflyvende natsommerfugl seksplettet køllesværmer (Zygaena filipendulae) optager gerne de cyanogene glukosider linamarin og lotaustralin fra sin værtsplante, almindelig kællingetand (Lotus corniculatus), men larven danner også selv disse forsvarsstoffer, hvis den lever på en plante uden stofferne. Køllesværmeren er det eneste kendte eksempel på, at et insekt selv kan danne et forsvarsstof, som er identisk med et forsvarsstof, som insektet også kan optage fra en plante.

 

Ens biosyntese i plante og insekt
Forskere fra Institut for Plantebiologi og Bioteknologi har studeret biosyntesen af cyanogene glukosider i kællingetand og køllesværmer og har nu bidraget med ny viden om arternes evolution. Postdoc Mika Zagrobelny forklarer:

 

- Vi har tidligere vist, at køllesværmerens larve både er i stand til at optage og lagre de cyanogene glukosider linamarin og lotaustralin, når den spiser blade fra kællingetand – vel at mærke uden selv at tage skade af dem. Vi har også vist, at køllesværmeren selv er i stand til at danne disse stoffer, at den ligesom planten bruger aminosyrerne valin og isoleucin som udgangsmaterialer, og at der sker præcis de samme biokemiske reaktioner i plante og insekt, når de to forsvarsstoffer dannes.

 

- Fundet af identiske forsvarsstoffer og biosynteseveje i plante og insekt fik os til at spekulere over, hvordan to så forskellige organismer har fået samme egenskab.

 

Man kunne tro, at evnen til at danne linamarin og lotaustralin var opstået hos en fælles forfader til insekter og planter, men den hypotese havde de danske forskere ikke meget tiltro til. Mika Zagrobelny forklarer hvorfor:
 
-  Forsvarsstofferne linamarin og lotaustralin hører til en gruppe af stoffer, som betegnes alifatiske cyanogene glukosider. Disse stoffer forekommer i dækfrøede plantearter, både enkimbladede og tokimbladede, men hidtil har man ikke fundet dem i hverken nøgenfrøede arter, bregner eller mosser. I dyreriget har man fundet alifatiske cyanogene glukosider i sommerfugleordenen (Lepidoptera), men man har ikke fundet denne type stoffer i andre leddyr.  Vi har ikke kunnet undersøge, om de uddøde forfædre indeholdt alifatiske cyanogene glukosider, men når nulevende arter placeres på livets træ, kan man se, at organismerne på alle de nederste grene mangler evnen til at danne alifatiske cyanogene glukosider. Kællingetand og køllesværmer må således enten have udviklet evnen til at danne disse stoffer uafhængigt af hinanden, eller også må de have fået identiske biosynteseveje ved at udveksle gener med hinanden.

 

Uafhængig evolution
For nyligt identificerede forskerne de tre enzymer, som deltager i biosyntesen af linamarin og lotaustralin i køllesværmeren. Det viste sig, at to af disse enzymer tilhører en superfamilie af enzymer, som kaldes Cytokrom P450 superfamilien. P450 enzymer har mange forskellige funktioner og er repræsenteret i stort set alt levende.

 

- Vi har sammenlignet DNA-sekvenser, som koder for P450 enzymer, og med  fylogenetiske analyser har vi vist, at selvom de enzymer, som deltager i biosyntesen af linamarin og lotaustralin i hhv. kællingetand og køllesværmer, ligner hinanden, så har planter og insekter brugt to uafhængige evolutionære veje til at kunne danne identiske forsvarsstoffer.

 

- Insekternes enzymer adskiller sig så meget fra plantens, at biosyntesevejen hverken kan være blevet overført via horisontal genoverførsel eller være udviklet i en fælles forfader. Det samme gælder for det tredje enzym i biosyntesevejen, fortæller Mika Zagrobelny.

 

Horisontal genoverførsel omtales jævnligt som en teoretisk mulighed, men der er endnu ingen videnskabelige undersøgelser, der har påvist udveksling af gener mellem planter og insekter i løbet af de mange millioner år, hvor de har levet side om side. I stedet har kællingetand og køllesværmer uafhængigt af hinanden etableret identiske biosynteseveje og evne til at danne linamarin og lotaustralin ved at rekruttere eksisterende enzymer med helt andre funktioner.

 

Enzymatisk nedbrydning af cyanogene glukosider er en forudsætning for, at der frigives cyanid ved angreb. Forskergruppen ved Institut for Plantebiologi og Bioteknologi har karakteriseret nedbrydningsprocessen og de involverede enzymer i planter og er nu i gang med at indkredse de enzymer, der nedbryder de cyanogene glukosider i insekter.

 

Larver af seksplettet køllesværmer på kællingetand. Foto: Mika Zagrobelny.

 

De involverede forskere

Forskningen er udført af tidligere ph.d. studerende Niels Bjerg Jensen, som nu er ansat som postdoc ved University of British Colombia i Canada, postdoc Mika Zagrobelny, professor Birger Lindberg Møller og professor Søren Bak fra Institut for Plantebiologi og Bioteknologi i samarbejde med forskere fra Institut for Grundvidenskab på KU-LIFE, Syddansk Universitet samt biotekfirmaet Evolva A/S.

 

Forskning i naturstoffers biosyntese ved Institut for Plantebiologi og Bioteknologi
De beskrevne forskningsresultater bygger på en lang tradition for forskning i biosyntese af naturstoffer ved Institut for Plantebiolog og Bioteknologi, som begyndte for mere end 20 år siden med professor Birger Lindberg Møllers interesse for cyanogene glukosider i cassava. Forskningsområdet har i årenes løb udviklet sig til at omfatte biosyntese af mange forskellige komplekse molekyler i en lang række arter samt metodeudvikling, som rækker langt videre end plantebiologisk grundforskning. Eksempelvis forskes der i biologisk produktion af stoffer med medicinsk potentiale og i syntesebiologi, hvor plantebioteknologi integreres med nanoteknologi.  Den tværfaglige forskning foregår bl.a. i regi af VKR Forskningscentret "Pro-Active Plants", Center for anvendt Bioinformatik og forskningsinitiativet UNIK Syntesebiologi ved Københavns Universitet.

 

Yderligere information:

Kontakt Mika Zagrobelny, Søren Bak eller Birger Lindberg Møller eller læs mere om forskningen på følgende hjemmesider:

Faggruppen Plant Biochemistry ved Institut for Plantebiologi og Bioteknologi.
VKR Forskningscentret Pro-Active Plants

Center for anvendt Bioinformatik

UNIK Syntesebiologi

Link:
Den videnskabelige artikel: Jensen NB, Zagrobelny M, Hjernø K, Olsen CE, Houghton-Larsen J, Borch J, Møller BL, Bak S (2011) Convergent evolution in biosynthesis of cyanogenic defence compounds in plants and insects. Nature Communications 2:273 (Abonnement kræves).

 

Omtale i Faculty of 1000, som placerer artiklen blandt de vigtigste 2% inden for biologi og medicin. (Abonnement kræves).