Un insetticida naturale che colpisce i bruchi allo stomaco

Ceramica pisi - Foto di Federico LiberatoPomodori e patate hanno a disposizione una nuova arma per difendersi dagli insetti: è l’enzima TD2 che svolge la sua azione quando la foglia masticata arriva nel digerente dei lepidotteri. TD2 va a minare alla base la crescita dell’insetto poiché degrada un amminoacido essenziale prima che questo venga assorbito.

Un team di ricercatori della Michigan State University, guidati da Gregg Howe, professore di biochimica e biologia molecolare, in collaborazione con i colleghi della University of Wisconsin Madison, ha scoperto un interessante metodo che le piante di pomodoro e di patata mettono in atto per difendersi con grande efficacia dagli insetti erbivori.

Le piante superiori usano l’enzima treonina deaminasi (TD1) per catalizzare la reazione che dalla treonina porta all’alfa-chetobutirrato e ammoniaca, step obbligato per la biosintesi della isoleucina. Alcune specie della famiglia delle Solanaceae, come il pomodoro (Solanum lycopersicum L.) e la patata (Solanum tuberosum L.), possiedono nel loro corredo enzimatico la proteina TD2 che viene impiegata dalle piante quando sottoposte all’attacco degli insetti.

TD2 è frutto della duplicazione genica del gene per la treonina deaminasi. Il gene paralogo ha il 51% in comune con il gene originario.
Gli enzimi TD1 e TD2 hanno in comune la stessa attività biochimica del catabolismo della treonina, ma in seguito all’evento di duplicazione genica e alle conseguenti mutazioni a carico della copia del gene originario, hanno sviluppato caratteristiche divergenti.

La duplicazione genica è tra le principali fonti di diversità per la produzione di sostanze chimiche vegetali che mediano le interazioni pianta-insetto.

Lo studio, pubblicato sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) mette in luce come da un evento di duplicazione genica si possa arrivare allo sviluppo di nuove caratteristiche adatte allo sviluppo di meccanismi di difesa delle piante contro gli insetti.

I bruchi che si nutrono dei tessuti vegetali contenenti l’enzima TD2 sono destinati a “morire di fame” e questo perché l’enzima, che svolge la sua azione nell’apparato gastro-intestinale dell’insetto, degrada un amminoacido di vitale importanza: la treonina.
Vengono quindi minati alla base i processi di crescita e di sviluppo degli insetti poiché essi dipendono dall’assimilazione delle proteine vegetali.

La funzione difensiva di TD2 è legata al catabolismo della treonina nell’apparato digerente dei lepidotteri. Mentre l’insetto si nutre del tessuto vegetale, il dominio regolatorio di TD2 viene rimosso per proteolisi per generare una proteina tronca: pTD2 che degrada con estrema efficienza la treonina senza essere inibita dalla isoleucina.
Ciò si verifica nel digerente degli insetti appartenenti all’ordine Lepidoptera, ma non avviene in altri insetti erbivori come ad esempio i coleotteri.

Questa attivazione della proteolisi è catalizzata da una proteasi chimotripsina-simile dell’insetto.

Dalle analisi emerge che l’enzima TD2 ha una struttura più stabile ed è molto più resistente alla proteolisi e alle alte temperature rispetto alla isoforma ancestrale TD1.

I risultati dello studio mettono in luce la possibilità di sfruttare le nuove conoscenze sul meccanismo e funzioni dell’enzima TD2, coinvolto nella resistenza all’erbivoria, per elaborare nuovi pesticidi e un nuovo tipo di approccio utile a proteggere le colture dall’attacco degli insetti.

Lo studio conferma l’importante ruolo della duplicazione genica nell’evoluzione delle difese vegetali che puntano a colpire i processi digestivi degli insetti.

Duplicazione genica

La duplicazione genica è l’evento che porta alla formazione di due o più copie di un gene. Nelle copie si potranno avere sequenze nucleotidiche identiche oppure, nel caso avvengano mutazioni, si avranno sequenze che differiscono in modo più o meno marcato da quella originaria.

La duplicazione genica è il processo più frequente nell’evoluzione di nuovi geni e nuove funzioni, ma questo meccanismo molecolare è utile sotto diversi punti di vista, infatti, può servire come mezzo per avere una maggiore quantità di uno stesso prodotto: si tratta di casi di duplicazione genica che non danno origine a geni nuovi, piuttosto i geni duplicati vanno semplicemente a sopperire il bisogno di sintetizzare maggiori quantità di una molecola.
La duplicazione genica può servire per produrre isoenzimi: in questo caso si ha la duplicazione contemporanea delle sequenze di controllo e, se si verificano mutazioni, si avrà una regolazione diversa delle due copie di geni. Si potrà anche verificare che una risulti attiva in un certo momento e in un certo tipo di cellule mentre l’altra risulti attiva in un altro momento e in altre cellule.
Se si verifica una ulteriore diversificazione in una delle copie di un gene si può arrivare a creare un gene nuovo che codifica per una proteina nuova come ad esempio nel caso di un enzima che riconosce un substrato diverso e catalizza una reazione che prima non avveniva. E’ questo il caso di duplicazione genica utile per creare funzioni nuove.

La duplicazione di un gene o di un suo segmento avviene principalmente attraverso cossing-over ineguale (dato da errori di appaiamento delle sequenze omologhe).

La duplicazione genica porta nel tempo ad un vantaggio evolutivo, infatti le copie di un gene si possono modificare per mutazione senza alterare il fenotipo dell’individuo: il gene funzionale assicura il prodotto normale e una normale attività biologica, mentre le copie del gene accumulano mutazioni nel tempo e, in alcuni casi, portano alla formazione di geni diversi da quello originario e capaci di codificare per prodotti con nuove caratteristiche e funzioni.

L’accumulo di mutazioni nei geni duplicati può portare alla formazione di geni inattivi oppure di geni paraloghi: si tratta di geni diversi da quello ancestrale, codificanti per proteine con strutture e funzioni diverse.