De wapenwedloop naar mosterd

Elke moestuinier kent ze wel: de rupsen van koolwitjes die flinke schade aan de koolplanten veroorzaken. In juni 2015 is het artikel ‘The butterfly plant arms-race escalated by gene and genome duplications’ verschenen van een internationaal team onderzoekers, onder wie Eric Schranz van Wageningen UR. In dit artikel beschrijven ze dat de schade die de rupsen toebrengen en de scherpe smaak van bijvoorbeeld mosterd en radijs het resultaat is van een miljoenen jaren oude wapenwedloop tussen planten en vlinders.

Glucosinolaten

De voorouders van mosterd, radijs en mierikswortel ontwikkelden bijna 90 miljoen jaar geleden een chemische verdediging tegen de voorouders van het koolwitje. De planten begonnen glucosinolaten te produceren, samengesteld uit bepaalde aminozuren. Glucosinolaten worden, als de planten beschadigd (gegeten) worden, omgezet in stoffen die giftig zijn voor insecten. Rupsen van de voorouders van het koolwitje hebben echter eiwitten ontwikkeld wat deze stoffen kan ontgiften.

De scherpe smaak van bijvoorbeeld mosterd, radijs, Oost-Indische kers en mierikswortel, maar ook de bittere smaak van spruitjes, wordt veroorzaakt door stoffen die na beschadiging ontstaan uit gluosinolaten.

Wapenwedloop

In het artikel ‘The butterfly plant arms-race escalated by gene and genome duplications’ beschrijven de onderzoekers het genetische bewijs dat er sinds het ontstaan van de chemische verdediging een evolutionaire wapenwedloop heeft plaatsgevonden  tussen Brassicales planten en Pierinae vlinders. Brassicales is de groep waar mosterd, kool en mierikswortel in thuis horen, maar ook kattesnor en Oost-Indische kers. De Pierinae is een groep waar o.a. het koolwitje, resedawitje en oranjetipje toe behoren en waarvan de rupsen zich voeden met Brassicales soorten.

In een langdurige co-evolutie, over miljoenen jaren veranderden de oorspronkelijke Brassicales soorten in een verscheidenheid van soorten, die in totaal 120 typen glucosinolaat produceren. En in deze evolutie ontwikkelden verschillende soorten vlinders diverse eiwitten die deze glucosinolaten ontgiften.

Sprongsgewijze evolutie

De onderzoekers concludeerden dat in de evolutie van de Brassicales nieuwe glucosinolaten ontstonden door duplicatie van genen. Hierdoor werd bijv. een nieuw aminozuur, methionine, gecodeerd, wat de basis is van een scala aan glucosinolaten. Insecten die zich met deze planten voedden pasten zich na een tijd op hun beurt aan aan deze nieuwe afweer.

Hierbij zijn drie belangrijke sprongsgewijze stappen in de evolutie van de Brassicales geïdentificeerd die zijn weerslag hebben in de evolutie van de Pierinae.

Eén daarvan is het ontstaan van aromatische indolische glucosinolaten binnen de Brassicales. Dit bracht niet alleen een diversificatie binnen de Pierinae op gang op basis van het kunnen ontgiften van deze stof, maar ook door het ontwikkelen van een herkenning voor deze stof. Planten werden herkend als voedsel maar ook als plek om eieren af te zetten. Zo werd een oorspronkelijk toxische stof juist aantrekkelijk voor deze vlindergroep.

Mosterdfamilie (Brassicaceae)

De mosterdfamilie heeft de grootste diversiteit aan glucosinolaten, ontstaan door duplicatie van genen en genomen. De onderzoekers konden aantonen dat kort na het ontstaan van de mosterd familie (32 miljoen jaar geleden) deze gekoloniseerd werden door twee afzonderlijke groepen Pierinae wat een diversificatie binnen de mosterdfamilie op gang bracht, wat zijn weerslag had in de diversificatie van de vlindergroepen.

Co-evolutie

Het onderzoek was gebaseerd op genomische data waardoor de onderzoekers twee familiebomen voor de Brassicales en voor de Pierinae konden samenstellen. Door deze in de tijd naast elkaar te leggen werd duidelijk dat aftakkingen van de verschillende soorten Brassicales overeenkwamen met corresponderende genetische veranderingen in de nieuwe groep vlinders. Ze konden zo bewijzen dat ze niet toevallig langs elkaar evolueerden, maar juist als antwoord op elkaars veranderingen.

De co-evolutie van de koolwitjesfamilie en de Brassicales is al zo’n 50 jaar geleden beschreven door Erlich en Raven, en is sindsdien een schoolvoorbeeld geweest.

Het recente onderzoek verklaart de co-evolutie vanuit de genomica, en verduidelijkt de rol wat de duplicatie van genen en genomen spelen in het ontstaan van nieuwe eigenschappen en snelle soortsvorming.

(Bron foto: Luis Miguel Bugallo Sánchez op Wikimedia)