Functional Validation of the Glucose Dehydrogenase Gene HaGDH in Harmonia axyridis

In het ingewikkelde web van een boerderij-ecosysteem speelt de lieveheersbeestjesoort Harmonia axyridis een rol die veel verder gaat dan zijn gevlekte uiterlijk. Als een gulzig roofdier van bladluizen dient dit insect als een natuurlijke bewaker voor gewassen, waardoor boeren plagen kunnen bestrijden zonder zwaar te vertrouwen op chemische sprays. De veiligheid van deze nuttige insecten wordt echter vaak getest door de zeer chemische middelen die worden gebruikt om planten te beschermen. Eén zodanig chemisch middel is glyphosaat, een veelgebruikt herbicide. Decennialang geloofden wetenschappers dat glyphosaat ongevaarlijk was voor insecten omdat het een specifiek biologisch pad aanvalt dat wel in planten voorkomt, maar afwezig is in dieren. Toch hebben recente observaties deze zekerheid uitgedaagd, waarbij is aangetooto dat het chemische middel nog steeds de gezondheid en voortplanting van insecten kan verstoren, waarbij het soms via de voedselketen reist om roofdieren zoals het lieveheersbeestje te beïnvloeden. Om te begrijpen hoe dit gebeurt, moeten onderzoekers in de cellen van het insect kijken, specifiek naar de machinerie die energie beheert. Net zoals een auto brandstof nodig heeft om te rijden, moet een insect suiker omzetten in energie om te groeien, te bewegen en te overleven. Wanneer dit energiesysteem wordt verstoord, stort het vermogen van het insect om te functioneren in.

Een team van onderzoekers aan de Guiyang Universiteit begon deze kwetsbaarheid te onderzoeken door zich te richten op een specifiek gen in het lieveheersbeestje genaamd HaGDH. Dit gen fungeert als de blauwdruk voor een enzym dat bekend staat als glucose-dehydrogenase, een eiwit dat essentieel is voor het afbreken van glucose, de primaire suikerbron van het insect, om energie vrij te laten. De wetenschappers wilden weten of dit gen als een waarschuwingssignaal voor pesticidenstress kon dienen en of het verstoren ervan het kever zou schaden. Om te beginnen isoleerden ze het gen uit het DNA van de kever en bepaalden ze de volledige structuur ervan. Ze ontdekten dat het gen een lange streng van genetische code is die de kever instrueert om een eiwit te bouwen dat bestaat uit 622 aminozuren. Door deze genetische sequentie te vergelijken met die van andere insecten, ontdekten ze dat hun versie het nauwst verwant is aan die van het zevenstippelieveheersbeestje, een andere keversoort, wat suggere way dat ze een recente gemeenschappelijke voorouder delen.

De onderzoekers onderzochten vervolgens wanneer en waar dit gen het meest actief is in het lichaam van de kever. Ze ontdekten dat het gen niet op elk moment en op elke plaats even actief is. Het is het meest actief tijdens de tweede fase van het larvale leven van de kever, een periode van snelle groei waarin het insect de meeste energie nodig heeft om zijn lichaam op te bouwen. Wat betreft de locatie is het gen het meest actief in de harde dekschilden, bekend als elytra, die de delicate vleugels van de kever beschermen. Dit is logisch, aangezien het bouwen en onderhouden van deze stevige buitenkant een aanzienlijke hoeveelheid energie vereist. Het gen is veel minder actief in de poten en andere zachte weefsels. Dit patroon bevestigde dat het gen diep verbonden is met de groei en fysieke ontwikkeling van de kever.

Om te zien hoe de kever reageert op omgevingsstress, stelde het team de larven bloot aan verschillende hoeveelheden glyphosaat. Wanneer de larven werden behandeld met een lage concentratie van het herbicide, specif kind 5 milligram per liter, schoot de activiteit van het HaGDH-gen omhoog en werd deze bijna vier keer zo hoog als bij onbehandelde kevers. De onderzoekers vermoeden dat deze piek een defensieve reactie is; de kever probeert harder te werken om energie te verwerken en de chemische stress te bestrijden. Echter, toen de concentratie werd verhoogd naar 20 milligram per liter, daalde de activiteit van het gen scherp naar minder dan twee derde van het normale niveau. Dit suggereert dat hoewel de kever in eerste instantie met lage niveaus van het chemische middel kan omgaan door zijn energiesystemen op te voeren, een hogere dosis de defensie overweldigt en het vermogen om te reageren uitschakelt.

Om te bewijzen dat dit gen cruciaal is voor het overleven van de kever, gebruikten de wetenschappers een techniek genaamd RNA-interferentie om het gen tijdelijk te stilleggen. Ze injecteerden een kleine hoeveelheid synthetisch genetisch materiaal in de larven dat de cellen van de kever effectief vertelde om te stoppen met de productie van het glucose-dehydrogenase-eiwit. De resultaten waren onmiddellijk en ernstig. Binnen 24 uur was de activiteit van het gen met de helft gedaald. In de loop van de volgende dagen begonnen de kevers die deze behandeling hadden ondergaan met een alarmerend tempo te sterven. Tegen de tiende dag leefden er minder dan 10 procent van de behandelde larven nog, vergeleken met meer dan 60 procent van de controlegroep die een onschadelijke injectie had ontvangen.

Misschien wel de meest verrassende bevinding betrof de suikergehaltes binnen de kevers. Omdat het gen normaal gesproken helpt bij het afbreken van suiker om energie te creëren, verwachtten de onderzoekers aanvankelijk dat het blokkeren ervan zou leiden tot een ophoping van suiker in het insect, zoals een verkeersopstopping. In plaats daarvan vonden zij het tegenovergestelde. De kevers met het gestilde gen hadden aanzienlijk lagere glucosegehaltes in hun lichaam. De onderzoekers stellen voor dat wanneer het primaire energiepad geblokkeerd wordt, de kever in paniek raakt en probeert zijn resterende suikerreserves te verbranden via andere, minder efficiënte methoden om zichzelf in leven te houden. Deze wanhopige poging om energie te genereren put de suikervoorraden volledig uit, wat leidt tot uithongering en dood.

Deze studie demonstreert dat het HaGDH-gen een vitale component is voor het overleven van het lieveheersbeestje en fungeert als een centraal knooppunt voor energiebeheer. Het onthult ook dat dit gen zeer gevoelig is voor de blootstelling aan glyphosaat, waarbij het gedrag verandert afhankelijk van de dosis van het chemische middel. Omdat het gen zo cruciaal is, leidt de verstoring ervan tot snelle mortaliteit, wat bevestigt dat zelfs chemicaliën die als veilig voor insecten worden beschouwd, verwoestende effecten kunnen hebben op hun interne biologie. De bevindingen suggereren dat het monitoren van dit gen wetenschappers kan helpen om het risico dat pesticiden vormen voor nuttige insecten te beoordelen, wat een manier biedt om de natuurlijke vijanden te beschermen die onze ecosystemen in balans houden.