El genoma de ‘Periplaneta americana’

Amb el nom de paneres, paneroles, cuques molles, cucaratxes, correderes, etc., hom coneix tota una sèrie d’espècies ben diverses. Les primeres van aparèixer en el Carbonífer, fa 320 milions d’anys. Una branca d’elles ha arribat a l’eusocialitat, la dels termes, però d’altres espècies també tenen comportaments socials bo i que no tant desenvolupats. En pensar en elles, pensem sobretot en les espècies adaptades a ambients urbans i, molt particularment, a aquelles que poden constituir plagues no sols estèticament desagradables sinó amb impactes sobre la salut a través de la transmissió de patògens. Una d’aquestes és la panerola americana o panerola roja (Periplaneta americana Linnaeus, 1758). Un grup de científics xinesos, coordinats per Li Sheng i Zhan Shuai, publiquen avui a les pàgines de Nature Communications un article en el qual presenten el genoma d’aquesta espècie i el seu conjunt comú de gens. Li et al. atribueixen a l’expansió de famílies de gens de funcions cabdals la plasticitat ambiental d’aquesta espècie.

“Periplaneta americana”Linnaeus 1758. La panerola americana o panerola roja és, en realitat originària d’Àfrica. No arribà a Amèrica fins el segle XVI. Actualment és una espècie de distribució cosmopolita

La panerola roja

Quan Linné donà l’adjectiu d’americana a l’espècie actualment classificada com a Periplaneta americana ho va fer assumint la concepció habitual de l’època segons la qual aquesta seria una espècie originària de l’Amèrica tropical, des d’on hauria difós al Vell Món. Potser en aquesta concepció hi contribuïa una impopularitat general envers aquesta espècie. En termes generals, són diverses les espècies de paneroles de distribució cosmopolita i d’hàbits antròpics que poden constituir plagues preocupants per a la salut pública. Però la panerola roja o “americana” és especialment assenyalada per ésser un dels insectes més grossos que viu en estreta proximitat a nosaltres. És proverbial la seva resistència vital, i és per això que en xinès li diuen Xiao Qiang. Té pocs requeriments i, si bé prefereix temperatures càlides, allò que més necessita és un cert grau d’humitat. D’ací el nom de “cuca molla”, que en anglès fa “waterbug”.

Avui s’assum que l’origen d’aquesta espècie es trobaria a Àfrica. Hauria arribat a Amèrica potser a començament del segle XVI i, en qualsevol cas, abans del 1625. El desenvolupament comercial i urbà dels darrers segles l’han convertit en una espècie cosmopolita, si bé és cert que com a plaga d’impacte sanitari es concentra a regions tropicals i subtropicals, en tant que vector d’agents infecciosos (virus, bacteris, protoctistes) i com a propiciadors de reaccions al·lèrgiques i asmàtiques. A les regions temperades viu fonamentalment de manera antròpica en espais tancats amb accés a fonts alimentàries (com ara aliments en fermentació). A casa nostra, no cal menysprear el reservori que trobin en espais a l’aire lliure a condició que siguin humits, ombrívols i càlids.

Ara bé, que no tot ha de ser negatiu en el món de les “repugnants cuques paneres”, com en deia Joaquim Ruyra. A la medicina xinesa, la Xiao Qiang apareix esmentada en tractats com el Ben Cao Gang Mu o el Shen Nong Ben Cao Jing. L’extracte etanòlic, Kang Fu Xin Ye, té propietats cicatritzants.

Com a animal de laboratori, Periplaneta americana és considerada un organisme model per als insectes hemimetabòlics. És de ràpid creixement, de cicle biològic breu i d’alta fecunditat. En el cicle vital passa per diversos estadis larvaris, intercalats per un nombre variable de mudes (de 6 a 14). Té també una capacitat elevada de regeneració tissular.

Un projecte concebut per Li Sheng

Li Sheng, del Laboratori de Regulació i Recerca Aplicada sobre Desenvolupament d’Insectes de Guangzhou, centre adscrit a la Universitat Normal del Sud de la Xina, concebé aquest projecte sobre el genoma de Periplaneta americana. En el disseny i direcció del projecte, Li Sheng comptà amb Shuiai Zhan, del Laboratori de Biologia de l’Evolució i Desenvolupament d’Insectes de Shanghai, centre adscrit a l’Acadèmia Xinesa de Ciències. El projecte rebé el suport de la Fundació Nacional de Ciència, del Programa Nacional de Recerca Clau i Desenvolupament i de l’Acadèmia Xinesa de Ciències.

Huiling Hao i Jianchu Mo aportaren mostres de paneroles. Erich Bornberg-Bauer els oferí els resultats preliminars de l’estudi genòmic de la panerola rossa, Blatella germanica.

L’extracció d’ADN i d’ARN fou a càrrec de Yuan Dongwei i Cao Yanghui, de Shanghai. Zhan ensamblà el genoma i generà el conjunt de gens. L’anotació de les famílies gèniques la van fer Li Sheng, Zhu Shiming, Jia Qiangqiang, Li Kang, Liu Suning i Ren Chonghua (de Guangzhou), Yuan, Zhao Haigang, Fang Gangqi i Zhan (de Shanghai), Li Daqi i Zhao Shiaming (de l’Institut de Recerca de Biologia Aplicada de la Universitat Shanxi de Taiyuan). Els experiments funcionals els feren Zhu, Jia, Li Kang, Liu i Ren (a Guangzhou). En la interpretació de dades participaren Li Sheng, Cui Yingying, Yu Xiaoqiang, Feng Qili (de Guangzhou), Zhang Jianzhen (de Taiyuan), Yue Qiaoyun (del Centre de Tecnologia d’Inspecció i Quarentena de Zhongshan), Fan Yongliang (del Laboratori de Gestió Integrada de Plagues, de Yangling) i Zhan (de Shanghai). El manuscrit fou redactat per Li Sheng, Zhu, Jia, Yuan, Ren i Zhan, que el trameteren a Nature el 16 d’agost del 2017. Seguí un procés de revisió, en el qual Cui, Yu i Feng introduïren millores que feren possible l’acceptació per a publicació el passat 2 de febrer.

Les línies utilitzades

Com ja s’ha dit, la línia de Periplaneta americana fou obtinguda de Hao Huiling. Es tracta d’una línia pura aconseguida després de 30 anys d’encreuaments. Com a espècies de referència s’han utilitzat Periplaneta australasiae i Periplaneta fuliginosa, totes dues a partir de les línies de Mo Jianchu, de la Universitat de Zhejiang. Aquests animals es mantenen en el laboratori a 29ºC i a una humitat relativa de 70-80% en caixes de plàstic, amb lliure accés a aliment (pinso de rates) i aigua. D’aquestes colònies s’extreuen adults, mascles i femelles, que hagin musat recentment, així com larves d’edat intermèdia: s’obtenen així grups d’individus de la mateixa edat. Totes les operacions es fan amb anestèsia amb CO2. Cada experiment reportat es fa per triplicat, amb grups de 30 individus.

L’extracció d’ADN es va fer a partir d’una única femella adulta de cada espècie. L’ADN era clonat, i les genoteques eren seqüenciades amb la plataforma Illumina. En total s’hi generaren 1,06 Tb de seqüències (1 bilió de parells de nucleòtids).

L’extracció d’ARN permeté l’elaboració de tres genoteques independents, amb inserts de 1-2 kb, 2-3 kb i 3-6 kb. Això donà lloc a una seqüència transcriptòmica total de 17,5 Gb.

Per fer l’assemblatge genòmic utilitzaren diverses eines bioinformàtics (DiscovarDeNovo, SSPACE, etc.) emprant com a referències les dades d’altres espècies de blatodeus. Aquest assemblatge és el més complet fet sobre una genoma de blatodeu.

Per a l’anotació genòmica han emprat RepeatMasker per indentificar seqüències repetitives i elements transposables. La comparació de les dades genòmiques i transcriptòmiques els permet d’identificar el conjunt de gens.

Per a l’anàlisi ortològica tingueren presents 12 espècies representatives d’espècies. A partir d’un total de 538 gens d’una sola compartits per aquestes espècies feren una reconstrucció filogenètica. Les tres espècies de Periplaneta foren comparades amb B. germanica i Zootermopsis nevadensis per estudiar-ne la identitat de seqüència.

L’anotació manual de gens de P. americana identificà uns 2000 d’interès especial. Les famílies gèniques foren reconstruïdes d’acord amb el model de Drosophila.

Un dels punts d’interès d’aquest estudi és la identificació de pètids antimicrobians. Injectaren a paneroles mascles adultes suspensions de microorganismes (E. coli PTA-5952, S. aureus ATCC29213 o C. albicans ATCC29213). Els insectes injectats eren eventualment mòlts en nitrogen líquid. De la pols resultant s’obtenia un extracte. L’activitat antimicrobiana dels extractes era estudiada en cultius dels microorganismes citats en un assaig de difusió radial.

Per estudiar la funció gènica, empraren tècniques d’ARN d’interferència (ARNi) in vivo. Aquestes tècniques consisteixen en exposar animals a fragments d’ARN bicatenari de 300-500 parells de bases corresponents a la seqüència d’ARNm d’un gen d’interès. A les 24h la injecció els animals eren sacrificats, i es feia una extracció d’ARN total dels cossos grassos abdominals.

Per als estudis de regeneració tissular, emparen 20 larves d’edat intermèdia. Dos dies després de la darrera muda els amputaven apèndixs, i feien un seguiment videogràfic de la regeneració.

El genoma de Periplaneta americana

El nivell de cobertura assolit per al genoma de P. americana és de 295, mentre que per a P. australasiae i P. fuliginosa és de 40. La seqüència genòmica resultant de P. americana és de 3,38 Gb, és a dir una mica més que el genoma humà (3,23 Gb). Es tracta d’un genoma de grans dimensions, si atenem que dels insectes coneguts, aquesta xifra només la supera la Locusta migratoria. Val a dir que el 60% del genoma de P. americana consisteix d’elements repetitius: és aquesta expansió d’elements repetitius la que explica la mida genòmica. En aquest percentatge i en el percentatge de GC, P. americana no es diferencia gaire d’altres blatodeus.

Pel que fa als gens, inicialment Li et al. identificaren 21.336 gens codificadors de proteïna. D’aquests, n’han detectat expressió en un 95% dels casos. El 90% dels gens tenen homòlegs en altres espècies de blatodeus. El nombre d’exons per gen o la mida dels transcrits és la típica en genoma d’insectes. Cal remarcar però que la longitud mediana dels introns de P. americana és de 3 kb, un valor considerable (malgrat que només arriba a la meitat de L. migratoria), però això mateix remarca una correlació positiva entre la mida d’introns i la mida genòmica.

El genoma de P. americana conté 13.555 gens universals multicòpia. De fet, l’expansió relativa del nombre de gens s’explica per l’expansió d’aquests gens universals i no pas a l’aparició de gens específics.

Dels 2000 gens universals d’una sola còpia de P. americana, Li et al. seleccionaren 538 per fer una reconstrucció filogenètica. Els resultats confirmen el caràcter monofilètic dels blatodeus, sempre que dins d’ells incloguem els termits (tradicionalment classificat com a ordre independent sota l’epígraf d’isòpters). De fet, P. americana té un parentiu més estret amb termits com Macrotermes natalensis o Zootermopsis nevadensis que no pas amb B. germanica. El genoma de P. americana, de fet, ajudarà a entendre millor les relacions filogenètiques entre aquestes espècies.

L’adaptació ambiental de la panerola roja

L’adaptació de P. americana als ambients urbans s’ha explicat pel seu omnivorisme detritòfag, que l’ha permès sobreviure amb les restes alimentàries de la humanitat moderna. La comunicació química i la tolerància de factors químics (toxines) i biòlogics (patògens) són essencials per a aquesta adaptació. Així doncs, Li et al. es fixen especialment en gens implicats en la quimiorecepció, la detoxificació i la immunitat.

En la quimiorecepció participaren diverses famílies de quimioreceptors: olfactius (ORs), gustatoris (GRs), ionotròpics del glutamat (IRs). Les proteïnes d’unió a odorants (OBPs) faciliten la interacció de molècules amb els ORs. En el genoma de P. americana hi ha 154 ORs, un nombre que dobla el d’altres genomes de blatodeus. Això deu ajudar a la detecció més eficient de traces d’aliments en fermentació.

De gens GRs n’hi ha 522, la qual cosa suposa el més gran nombre de gens gustatoris mai trobat en una espècie d’insecte. D’aquests 522, n’hi ha 329 que podrien constituir una subfamília especialitzada en la recepció de gustos amargs. Probablement la identificació d’aquests sabors ajuda a la panerola a evitar o a moderar el consum d’aliments tòxics.

De gens IRs n’hi ha 640. És un nombre molt més elevat que el que trobem en els genomes coneguts de termits. Els IRs participen sobretot en connexió sinàptiques.

La família de gens OBPs és, contràriament, relativament poc nombrosa.

Dels gens de detoxificació, en P. americana Li et al. identifiquen 178 gens de citocrom P450, 90 gens d’esterases de carboxil/colina, 39 glutatió-transferases i 115 transportadors d’unió a ATP. Són xifres considerables, particularment la dels P450 (en el genoma humà tenim només 57), que s’atribueixen especialment a CYP3 (79 gens) i CYP4 (62 gens), i que deuen ajudar a la capacitat de resistència a insecticides i a la supervivència en condicions extremes.

El gust de les paneroles pels aliments en fermentació s’explica per la major digestibilitat d’aquests productes. Ara bé, aquests aliments fermenten precisament per l’acció microbiana, i són una font de microorganismes patògens. El sistema immunitari d’insectes és merament innat, i depèn de l’activació de tres vies moleculars principals: Imd, Toll, JAK-STAT. Les vies Imd i Toll condueixen a la síntesi i secreció de pèptids antimicrobians (AMP) a l’hemolimfa. L’activació de la via Toll es mediada per proteïnes d’unió a bacteris gram-negatius (GNBPs) El genoma de P. americana conté 14 gens Toll, 12 gens GNBP1, 2 gens GNBP3, 11 gens d’AMPs (defensines, termicines, attacines, drosomicines, Paprp-1, AFP). En els experiments d’injecció, la resposta antimicrobiana és més efectiva amb E. coli que no pas amb S. aureus o C. albicans. Els experiments d’ARNi mostren la rellevància de quatre gens (Toll-1A, Toll-1B, Myd88 i dorsal) en la supervivència a la injecció de S. aureus. Aquests gens, doncs, podrien constituir una diana d’interès en el control de plagues.

L’alta plasticitat de desenvolupament és un altre factor que explica l’adaptabilitat de les paneroles. Amb una mida mitjana de 53 mm, la panerola roja no sols és la més gran de les paneroles comunes, sinó també la de cicle vital més llarg (700 dies). Abans d’arribar a l’edat adulta fa de 6 a 14 mudes larvàries. L’extensió d’aquesta fase larvària s’explica per l’acció de l’hormona juvenil (JH), que contraresta l’acció de la 20-hidroxiecdisona (20E). En el genoma de P. americana hi ha una expansió de gens implicats en la biosíntesi i metabolisme de la JH (Jhamt i Jhe), del pèptid insulínic (Ilp) i de la proteïna cuticular.

Els experiments d’ARNi mosten l’efectivitat de blocar els gens EcR i RXR (dos gens implicats en el receptor nuclear de la 20E) per induir defectes de muda potencialment letals. El blocatge dels gens Met i Kr-h1, implicats en la via JH, promou una metamorfosi precoç. El blocatge dels gens InR, PI3K i TOR endarrereixen el creixement de les nimfes.

Estudis funcionals de gens implicats en la muda, creixement i maduració de la panerola roja

Si de l’ou a adult reproductor passen 700 dies de mitjana, l’edat adulta reproductora pot arribar als 600 dies. La reproducció segueix un patró periòdic, amb una maduració de l’ovari regulada per insulina, JH o 20E. Facultativament, aquesta espècie pot recórrer a la partenogènesi. El blocatge del gen Vg impedeix la maduració de l’ovari, com també ho fa el blocatge d’altres gens (InR, PI3K, TOR, Met, Kr-h1).

La regeneració d’apèndixs en P. americana és considerable en els estats larvaris. Els estudis funcionals de Li et al. mostren la rellevància dels gens Dpp i Mad.

En resum, Li et al. ofereixen una munió de dades genòmiques funcionals sobre P. americana, amb la identificació de nombroses dianes útils per al desenvolupament d’eines específiques de control de plagues. Ara mateix, però, l’atenció la centren en l’estudi de l’extracte etanòlic de panerola roja (Kang Fu Xin Ye) a la recerca de “factors de creixement” que expliquin la seva capacitat cicatritzants i si aquesta es relaciona amb la capacitat regenerativa del Xiao Qiang.

Lligams:

The genomic and functional landscapes of developmental plasticity in the American cockroach. Sheng Li, Shiming Zhu, Qiangqiang Jia, Dongwei Yuan, Chonghua Ren, Kang Li, Suning Liu, Yingying Cui, Haigang Zhao, Yanghui Cao, Gangqi Fang, Daqi Li, Xiaoming Zhao, Jianzhen Zhang, Qiaoyun Yue, Yongliang Fan, Xiaoqiang Yu, Qili Feng, Shuai Zhan. Nature Communications 9: 1008 (2018).

Aquesta entrada ha esta publicada en 4. L'Animal. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.