Respostas transcriptômicas a dietas alternativas de cactos em Drosophila mojavensis (Drosophila) - Dôres, Ana Carolina Pires [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2024)
As espécies cactófilas do grupo repleta (gênero Drosophila) são um exemplo notável de adaptação a ambientes áridos. Esses insetos toleram o estresse hídrico e os compostos químicos tóxicos produzidos por seus cactos hospedeiros que os habilitam a deter a herbivoria. Propõe-se que a especiação dentro do grupo ocorreu por meio de uma radiação adaptativa em resposta ao uso de novas espécies de cactos como sítios para alimentação e reprodução. Drosophila mojavensis, que ocupa o sudoeste dos Estados Unidos e México, faz parte dessa radiação. Suas quatro subespécies utilizam como hospedeiros primários diferentes tipos de cactos, dos quais o uso de espécies do gênero Opuntia constituem o estado de caráter ancestral e, o de cactos colunares, o estado derivado. Drosophila mojavensis wrigleyi, uma subespécie insular, utiliza o cacto palmado Opuntia litorallis. Por outro lado, as subespécies D. m. mojavensis, D. m. baja e D. m. sonorensis, embora capazes de utilizar Opuntia ssp., preferem cactos colunares, dos gêneros Stenocereus e Ferocactus. Os cactos do gênero Opuntia têm uma composição química menos complexa em comparação aos cactos colunares, que contêm maior quantidade de metabólitos secundários capazes de inibir o desenvolvimento das moscas. A capacidade de destoxificar ou metabolizar esses compostos é uma vantagem evolutiva na exploração de novos hospedeiros. Dados de transcriptoma de RNA-seq de larvas e de fêmeas adultas (cabeças) criados em meio de cultura à base de fubá-ágar foram analisados para identificar genes diferencialmente expressos (DEG) entre D. m. wrigleyi e as outras subespécies em relação a 128 genes associados à localização, aceitação e uso do hospedeiro. Os dois conjuntos de dados apresentaram maior proporção DEGs associados às etapas de metabolismo e destoxificação, como também em redes de interação Proteína-Proteína (PPI). Por outro lado, apresentaram diferenças quanto ao enriquecimento funcional: os termos GO associados ao metabolismo e destoxificação foram mais enriquecidos em larvas, e os associados à localização e aceitação do hospedeiro em cabeças. Variações nos padrões de expressão entre as subespécies e interações nas redes PPI, indicaram ser os genes Cyp18a1, Cyp12d1 e Cyp12e1, associados à destoxificação e ao metabolismo, bons candidatos a genes associados ao uso do hospedeiro. Essa hipótese foi testada por meio da quantificação da expressão gênica via RT-qPCR em larvas criadas em meios de cultura à base de Opuntia ficus-indica ou do cacto colunar Cereus hildmaniannus. A expressão gênica das subespécies, e de D. arizonae, em comparação à D. m. wrigleyi, adaptada a Opuntia spp., apresentou maior número de diferenças significativas quando em meio de cultura à base de Opuntia, com destaque para o gene Cyp12d1. Por outro lado, a exposição das linhagens ao meio de cultura à base Cereus hildmaniannus, um cacto colunar da América do Sul, provocou aumento significativo da expressão do gene Cyp12d1 nas três subespécies adaptadas ao uso dos colunares; do gene Cyp12e1 em D. m. baja e D. m. sonorensis; e do Cyp18a1 em D. m. sonorensis. A similaridade entre as subespécies adaptadas a cactos colunares pode ser explicada por suas adaptações associadas ao metabolismo e destoxificação de compostos tóxicos específicos de seus respectivos hospedeiros. Esses resultados revelam a plasticidade na expressão gênica associada à destoxificação em espécies que passaram por uma mudança de hospedeiro. Além disso, demonstram expressão constitutiva de genes específicos na presença de seus cactos hospedeiros primários e alternativos.

The cactophilic species of repleta group of the Drosophila genus provides a notable example of adaptation to arid environments. These insects are capable of tolerating water stress and the toxic chemical compounds produced by their host cacti, which enable them to deter herbivory. It is proposed that speciation within the group occurred through adaptive radiation in response to the use of new cactus species as feeding and breeding sites. Drosophila mojavensis, which inhabits the southwestern United States and Mexico, is part of this radiation. Its four subspecies utilize different types of cacti as primary hosts, with the use of species from the genus Opuntia representing the ancestral state, and that of columnar cacti representing the derived state. Drosophila m. wrigleyi, an island subspecies, uses the prickly pear cactus Opuntia litorallis. On the other hand, the subspecies D. m. mojavensis, D. m. baja, and D. m. sonorensis, while capable of utilizing Opuntia spp., prefer columnar cacti from the genera Ferocactus and Stenocereus. Cacti from the genus Opuntia have a less complex chemical composition compared to columnar cacti, which contain higher amounts of secondary metabolites capable of inhibiting the development of the flies. The ability to detoxify or metabolize these compounds is an evolutionary advantage in exploring new hosts. RNA-seq transcriptome data from larvae and adult females (heads) reared on cornmeal-agar culture media were analyzed to identify differentially expressed genes (DEGs) between D. m. wrigleyi and the other subspecies concerning 128 genes associated with host localization, acceptance, and usage. The two datasets showed a higher proportion of DEGs associated with metabolic and detoxification processes, as well as in protein-protein interaction (PPI) networks. However, they displayed differences in functional enrichment: GO terms related to metabolism and detoxification were more enriched in larvae, while those associated with host localization and acceptance were more enriched in heads. Variations in expression patterns among the subspecies and interactions within the PPI networks indicated that the genes Cyp18a1, Cyp12d1, and Cyp12e1, associated with detoxification and metabolism, are good candidates for genes related to host use. This hypothesis was tested by quantifying gene expression via RT-qPCR in larvae reared on culture media based on Opuntia ficus-indica or Cereus hildmannianus, a columnar cactus that is native to South America. The gene expression of the subspecies and D. arizonae, compared to D. m. wrigleyi, which is adapted to Opuntia spp., showed a greater number of significant differences when on Opuntia-based media, particularly for the gene Cyp12d1. Conversely, exposure of the strains to the Cereus hildmannianus culture media resulted in a significant increase in the expression of the gene Cyp12d1 in the three subspecies adapted to columnar cacti; of the gene Cyp12e1 in D. m. baja and D. m. sonorensis; and of Cyp18a1 in D. m. sonorensis. The similarity among the subspecies adapted to columnar cacti may be attributed to their adaptations related to the metabolism and detoxification of toxic compounds present in their respective hosts. These results reveal the plasticity in gene expression associated with detoxification in species that have undergone a host shift. Furthermore, they demonstrate constitutive expression of specific genes in the presence of their primary and alternative host cacti.
Transcriptomic responses to alternative cactus diets in Drosophila mojavensis (Drosophila)
Keywords: Metabolismo; Cactofilia; Uso do hospedeiro; Grupo repleta; Metabolism; Cactus; Plant-host interaction; Drosophila