Aphids evolved special, surprising talents

These insect pests pioneered new frontiers in genetics

Contrary to popular belief, aphids are not just sap-sucking, plant-destroying enemies of agriculture. In fact, these pests are genetic pioneers that evolved two unique traits, according to a study that appears in the April 30 issue of the journal Science.

First, aphids are, so far, the only animal known to produce essential pigments known as carotenoids. The aphid's pigment-producing ability is unique to the animal kingdom. Other animals, including humans, that need carotenoids cannot produce these essentials themselves; instead, they must obtain carotenoids from food.

Why are carotenoids needed by many plants and animals? Because they provide vital support to varied functions, ranging from promoting immunity to reducing cell damage and providing color to fruits and vegetables. For example, carotenoids give tomatoes their red color and flamingoes their pink color. Carotenoids also determine whether aphids are red or green--a color distinction that influences their vulnerabiilty to predators and other threats.

As for the second unique trait, aphids probably acquired their carotenoid-producing ability through a rare, and perhaps unique, process: millions of years ago, aphids apparently "snatched" carotenoid-producing genes from a carotenoid-producing member of the fungi kingdom, and then snapped those snatched genes into their own genetic code.

Gene transfer between organisms is not itself a rare phenomenon. However, the fungi-to-aphid gene transfer is the only known gene transfer between members of the fungi kingdom and animal kingdom--which are so evolutionarily distant from one another that it was long thought that never the twain would genetically meet.

But by busting through kingdom barriers, aphids gained something akin to a "genetic magic wand" that empowered them to produce their own carotenoids. They were thereby freed of the need to scavenge for carotenoid-yielding foods. The result: one less chore on the aphid's "to do" list, and a new self-sufficiency for these insects.

No one knows what compelled genes to jump from fungi to aphids. But "the transferred fungi genes may have originated from a closely associated fungus, such as one of the fungi that causes diseases in aphids," says Nancy Moran of the University of Arizona, the lead author of the Science paper. "Because the carotenoid-producing genes were the only fungus-related genes that we found in the aphid genes, we think that the fungi-to-aphid transfer was an extremely rare event."

"This is a very big discovery," says Matt Kane of the National Science Foundation. "By recognizing the horizontal transfer of nutritionally important carotenoid genes, Nancy Moran and her colleagues are the first to discover that gene transfer can occur between very distantly related groups of higher, multi-cellular organisms such as fungi and insects."

The foundation for the discovery of the fungi-to-aphid gene transfer was laid when a research team that included Moran constructed the first map of the entire genetic code of aphids. Then, when follow-up studies of the aphid's genetic map were conducted by a different research led by Moran, the presence of carotenoid-producing genes was discovered.

Because a few cases of bacterium-to-animal gene transfer are known and because aphids have close associations with bacterial symbionts, bacteria were initially considered a more likely suspect for genetic swapping with aphids than were the more genetically complex fungi. But after identifying signature similarities between the sequences and arrangements of the aphid and fungi carotenoid-producing genes, Moran's team was able to eliminate bacteria, as well as laboratory contamination, as potential sources for the aphids' carotenoid-producing genes.

일반적인 믿음과는 반대로, 진디(aphids)는 수액(sap) 만 빨아먹는 것이 아니라, 식물을 파괴하는 농업의 적이다. 실재로 이들 해충이 두 가지 독특한 형질을 발전시킨 유전학의 선구자라는 것이 학술지 Science 에 4월 30일 보고된 한 연구의 내용이다. 우선, 진디는 카로테노이드라는 기본 색소를 만드는 것으로 알려진 유일한 동물이다. 이 진디의 색소 생산 능력은 동물계에 있어서는 특이한 것이다. 카로테노이드를 필요로 하는 사람을 비롯한 다른 동물은 이들 기본 색소를 스스로가 만들지는 못하고, 대신에 식품을 통해서 얻어야 한다.

많은 동물과 식물이 카로테노이드류를 필요하하는 이유는 이 색소가 다양한 기능에 중요한 기반을 제공하기 때문인데, 이는 면역 증진에서부터 세포 손상을 줄이는 것에 이르기까지 그리고 과일과 채소에 빛깔을 부여한다. 예를 들어, 카로테노이드류는 토마토에 빨간 색과 플라밍고에 핑크 색을 부여한다. 또한 카로테노이드는 진디가 빨갛거나 초록일지를 결정하는데, 색 차이는 포식자 및 다른 위협에 대한 취약성에 영향을 미친다.

두 번째 고유한 특성으로는, 진디는 그의 카로테노이드 생산능력을 매우 드물게, 아마도 유일한 과정을 통해서 획득했을 가능성이다. 즉, 수 백만 년 전에 진디가 카로테노이드를 생성하는 유전자를 카로테노이드를 생산하는 진균계(fungi kingdom)의 일원에게서 낚아채서 그들 자신의 유전코드 속으로 집어넣은 것으로 보인다는 것이다.

생명체들 간에 유전자 도입 그 자체가 희귀한 현상인 것은 아니다. 그러나 이 진균와 진디 간에 유전자 도입은 이 두 계의 구성원들 간에 유전자 도입으로 알려진 유일한 것인데, 이 두 계는 서로가 진화적으로 매우 멀리 떨어져있어서 유전적 만남이 결코 일어나지 않을 것이라고 생각되어 왔다. 그러나, 계 (kingdom) 의 장벽을 무너뜨리고 “일종의 마술 유전 지팡이” 같은 것을 획득했는데, 이는 진디에게 자신의 카로테노이드를 생산하는 능력을 부여하는 지팡이였다. 이로 인해서 진디는 카로테노이드를 주는 먹이를 찾아 다닐 필요가 없어지게 되었다.

무엇이 유전자가 진균류에서 진디류로 점프하게 했는지는 모른다. 하지만, 도입된 이 진균 유전자는 진디에게 질병을 유발하는 진균류 중 하나와 같이 매우 밀접하게 연관된 진균류에서 유래되었을 것이라고 이번 논문의 주저자인 아리조나 대학교 낸시 모란(Nancy Moran)은 말한다. 그리고 카로테노이드를 만드는 이 유전자가 진디에서 발견되는 진균 관련 유일한 유전자이기 때문에 이 두계 간에 유전자 도입은 매우 희귀한 사건이라고 생각한다고 한다.

국립과학 재단의 맽 칸(Matt Kane)은 이는 매우 대단한 발견이라고 한다. 영양적으로 중요한 유전자의 수평 이동을 확인함으로써, 매우 연관관계가 먼 그룹의 고등 다세포 생명체간에 유전자 이동이 일어날 수 있다는 것을 최초로 낸시 모란(Nancy Moran )등이 밝혔다는 것이다.

[출처: KISTI]