کشف رازهای ژنتیکی حشرات برای امنیت زیستی کشاورزی

چرا شپش‌ها با ژن‌های معیوب زندگی می‌کنند؟

شپش‌ها تمام عمر خود را با مجموعه‌ای از ژن‌ها زندگی می‌کنند که در انسان‌ها می‌تواند نشان‌دهنده اختلالات تخریبی پیشرفته‌ای مانند بیماری‌های پارکینسون یا آلزایمر باشد. اما چگونه شپش‌ها این ساختار ژنومی را تحمل می‌کنند در حالی که در انسان‌ها و بسیاری از حیوانات دیگر، این موضوع می‌تواند منجر به مشکلات جدی عصبی شود؟ استیون کامرون، استاد حشره‌شناسی در دانشگاه پرودو، می‌گوید: “ما هنوز فاصله زیادی داریم تا این نقاط را به هم متصل کنیم.” بیماری‌های پارکینسون و آلزایمر به عنوان بیماری‌های میتوکندریایی مرتبط با پیری شناخته می‌شوند، زیرا به دلیل عملکرد نادرست میتوکندری‌ها که انرژی سلولی تولید می‌کنند، ایجاد می‌شوند. کامرون ادامه می‌دهد: “اگر حیوانات خیلی زود در زندگی دچار اختلالات عصبی شوند، قادر به تولید مثل نخواهند بود. اما به نظر می‌رسد شپش‌ها از زمان تخم‌گذاری با این شرایط مواجه بوده‌اند. آن‌ها به وضوح با این وضعیت کنار آمده‌اند و این وضعیت را برای ۵۰ میلیون سال مدیریت کرده‌اند.”

داده‌های ژنومیک میتوکندریایی و پیشرفت‌ها

در دهه گذشته، حجم زیادی از داده‌های ژنومیک میتوکندریایی درباره شپش‌ها و سایر حشرات منتشر شده است. این داده‌ها به مطالعات مربوط به شناسایی و طبقه‌بندی صحیح گونه‌های حشرات و همچنین توسعه آفت‌کش‌هایی که بر روی میتوکندری‌ها عمل می‌کنند، کمک می‌کند. در عین حال، شپش‌ها مدل مناسبی برای مطالعه تأثیر تکامل بر بیماری‌های عصبی محسوب می‌شوند. تعداد ژنوم‌های میتوکندریایی حشرات که توالی‌یابی شده‌اند، از سال ۲۰۱۴ تا کنون ۸۷۶ درصد افزایش یافته است، در حالی که تعداد تنوع گونه‌ها ۷۹۰ درصد رشد داشته است.

مقاله کامرون با عنوان “ژنومیک میتوکندریایی حشرات: یک دهه پیشرفت” در سالنامه حشره‌شناسی منتشر شد. او مقاله‌ای مشابه در سال ۲۰۱۴ منتشر کرده بود. میتوکندری‌ها به موجودات کمک می‌کنند تا اکسیژن و غذا را پردازش کنند و تحت تأثیر انتخاب طبیعی قرار دارند. کامرون می‌گوید: “و با این حال، ما نمونه‌های شگفت‌انگیزی از مطالعاتی داریم که واقعاً این موضوع را در نظر می‌گیرند.”

پیشرفت‌های فناوری توالی‌یابی

فناوری‌های توالی‌یابی که امروز استفاده می‌شوند، در سال ۲۰۱۴ به تازگی در دسترس قرار گرفته بودند. از آن زمان، این فناوری‌ها بهبود یافته و هزینه‌ها به شدت کاهش یافته است. کامرون اولین ژنوم خود را در سال ۲۰۰۲ توالی‌یابی کرد. این کار شش ماه کار روزانه در آزمایشگاه به طول انجامید و هزینه آن ۴۰۰۰ دلار بود. او می‌گوید: “با این مبلغ، اکنون می‌توانم صدها ژنوم توالی‌یابی کنم. توالی‌یابی در مقیاس ژنتیکی این روزها به طرز غیرقابل تصوری کارآمد است.” امروز، دانشجویان تحصیلات تکمیلی کامرون در یک هفته بیشتر از آنچه او در دو سال به عنوان محقق پسادکتری انجام داده بود، تحلیل ژنومی انجام می‌دهند.

مقایسه با قانون مور

کامرون به طور کلی نرخ افزایش هندسی را با قانون مور مقایسه کرد؛ ایده‌ای که می‌گوید تعداد ترانزیستورها در یک تراشه کامپیوتری تقریباً هر دو سال دو برابر می‌شود. مقاله مروری جدید او، تکه‌تکه شدن ژنومی و تکثیر ناحیه کنترل را به عنوان موضوعات تحقیقاتی مهم فعلی شناسایی کرده است. حشره‌شناسان تکه‌تکه شدن ژنومی، یعنی تجزیه DNA به قطعات کوچکتر، را به عنوان یک سیستم مدل برای مطالعه وضعیت‌های بیماری عصبی می‌بینند. کامرون می‌گوید: “این موضوع نادر است.”

تحقیقات درباره ژنوم‌های تکه‌تکه شده در شپش‌ها

کامرون اشاره کرد: “هر چیزی که نادر است، باعث می‌شود که ما تعجب کنیم چرا.” او ادامه داد: “معمولاً، وقتی همه چیز به یک شکل است، به این دلیل است که *تکامل* آن را در یک جعبه قرار داده است. این امر محدود است. پس چرا این محدودیت در مورد آزاد شدن ژنوم‌های *تکه‌تکه شده* در مورد شپش‌ها وجود دارد؟” برخی شواهد نشان می‌دهد که در موارد شدید، *تکه‌تکه شدن* ممکن است به جمعیت‌های کوچک و درون‌زادی کمک کند تا یک موجود زنده بتواند اشکال مضر ژنوم میتوکندریایی خود را پاک‌سازی کند. این ممکن است در مورد شپش‌ها که شامل جمعیت‌های کوچک و درون‌زادی هستند، صدق کند.

کامرون در حال تحقیق بر روی *تکه‌تکه شدن* در شپش‌ها و همچنین *تکثیر نواحی کنترل ژنتیکی* در نوعی حشره بالدار به نام *تریپس* است. *تریپس‌ها* کوچک هستند و شناسایی آنها دشوار است و گاهی به آلودگی‌های بزرگی تبدیل می‌شوند که گلخانه‌ها و محصولات زراعی را تحت تأثیر قرار می‌دهند. *تشخیص مولکولی* می‌تواند به شناسایی آفت کمک کند، اما تغییرات در ژنوم میتوکندریایی این حشره، این کار را در *تریپس‌ها* نسبت به سایر انواع حشرات دشوارتر می‌کند. او گفت: “ما در تلاش هستیم تا روش‌های بهتری را توسعه دهیم که به ما اجازه دهد از تعیین گونه‌های مبتنی بر DNA به طور قابل اعتمادتری استفاده کنیم که سپس می‌تواند برای خدمات قرنطینه‌ای به منظور جلوگیری از ورود آفات به آمریکا یا مناطق دیگر استفاده شود.”

مطالعات ژنوم میتوکندریایی همچنین می‌تواند به *روش‌های کنترل آفات* کمک کند که با تغییر متابولیسم حشرات عمل می‌کنند. او توضیح داد: “بیشتر سموم حشره‌کش نوروتوکسین هستند، بنابراین به طور فوری با میتوکندری‌ها تعامل ندارند.” شناسایی حشرات هم از نظر علمی و هم اقتصادی اهمیت دارد. تقریباً تمام شناسایی‌های حشراتی که از داده‌های مولکولی استفاده می‌کنند، با استفاده از *روش DNA میتوکندریایی* انجام می‌شود. در دهه 1990 و اوایل 2000، مگس‌های میوه آمریکای جنوبی که موفق به فرار از شناسایی زودهنگام شده بودند، به میوه‌های تجاری راه یافتند. این ممکن است دوباره با ورود مناطق کشاورزی جدید به سیستم تولید جهانی اتفاق بیفتد. کامرون اشاره کرد که *امنیت زیستی کشاورزی* می‌تواند از درک بهتر ژنومی آفات حشره‌ای به صورت پیش‌بینی‌پذیر بهره‌مند شود.

انجام چنین کارهایی در حال حاضر به تحقیقات مربوط به *ویروس کرونا* که پس از شیوع سندرم حاد تنفسی (SARS) در 20 سال پیش انجام شد، شباهت دارد. هنگامی که پاندمی COVID-19 در سال 2020 آغاز شد، محققان بیومدیکال توانستند به سرعت پاسخ دهند. او همچنین به یک مجموعه تحقیقاتی نوظهور درباره *تأثیرات محیط‌های شدید*، مانند ارتفاعات بالا و شرایط بیابانی، بر روی ژنوم‌های حشرات اشاره کرد. نتایج این تحقیقات می‌تواند به *روش‌های مختلفی که برای کنترل جمعیت‌های آنها طراحی شده‌اند*، اعمال شود. او گفت: “خوب است بدانیم که زیست‌شناسی آنها چه چیزی را به آنها اجازه می‌دهد که به سمت آن تکامل یابند، تا درک کنیم که *تکامل* چه راه‌فرارهایی برای آنها فراهم می‌کند.” او افزود: “و با تغییرات اقلیمی، این جنبه‌ها به درک ما از اینکه چگونه حشرات مفید ممکن است به محیط‌های در حال تغییر واکنش نشان دهند، کمک می‌کند.”