Mšice a jejich spolupracovníci: Výkonná genetická laboratoř

Zemědělci a zahrádkáři vidí v kyjatce hrachové (Acrythosiphon pisum) nepřítele. Mnozí entomologové si ji však oblíbili jako nenáročného, vděčného laboratorního živočicha, který jim pomáhá proniknout do tajů složitého života mšic.

Předchozí část: Mšice jako užitkový hmyz: Dojné krávy mravenců

Až dvacet generací „matrjošek“

Životní cyklus kyjatky začíná zjara, kdy se z přezimujících vajíček líhnou bezkřídlé samice zakladatelky čili fundatrix. Ty nemrhají časem na námluvy a rychle plodí další generace samic z neoplozených vajíček. Je to pro ně výhodné – obejdou se bez samců a produkují pokolení svých vlastních klonů.

Také další generace mšic přicházejí na svět bez páření samic se samci. Rozmnožování probíhá přímo překotně. V těle samice se vyvíjejí dcery a v jejich organismu už v té chvíli začíná vývoj vnuček. Mšice jsou poskládány jedna do druhé podobně jako panenky matrjošky. Cílem zběsilého plození potomků je využít optimální podmínky vegetační sezóny.

Když začne být mšic na jednom místě příliš mnoho, vyprodukuje  matka okřídlené klony. Tyto samice označované jako migrantes se rozletí do okolí a samy pak plodí generace bezkřídlých klonů na nových stanovištích. S příchodem kratších podzimních dnů  se mezi mšicemi objeví samice a samci schopní páření, tzv. sexuales. Samice nakladou oplodněná vajíčka a ta – na rozdíl od svých rodičů – přečkají bez úhony zimu. Zjara se z nich vyklube další pokolení samic zakladatelek. Během jediného roku je tak zplozeno kolem dvaceti generací mšic.

Bakterie – dar dalšímu pokolení

Navzdory vědeckému jménu se kyjatka hrachová zdaleka neživí jen na stoncích a listech hrachu, ale saje šťávy i z dalších motýlokvětých rostlin – vikve, čočky, fazolu, vojtěšky nebo jetele. Jde o rostliny, jejichž šťávy jsou bohaté na cukry, ale tato potrava je chudá na další základní živiny, například  životně důležité aminokyseliny. Většina živočichů by na tak jednotvárné dietě rychle umřela. Mšice zvládnou přežít díky mikrobiálním spojencům, jež hostí ve specializovaných buňkách těla, tzv. bakteriocytech. Mikroskopičtí podnájemníci – bakterie druhu Buchnera aphidicola – vyrábějí pro mšici nedostatkové živiny. Mšice jim za to platí vydatnými porcemi cukrů, jichž mají dost a dost.

Mšice by bez buchner nepřežily, proto si bakterie předávají z generace na generaci jako cenné dědictví. Samice, které plodí dcery z neoplozených vajíček, propašují bakterii přímo do zárodku budoucího potomka. Pro pokolení počaté při podzimním páření samců a samic uloží matka životadárné bakterie do vajíčka.

Výbava osobní ochrany

Kyjatka hrachová však neomezuje své hostitelství jen na bakterie Buchnera aphidicola. Podnájem ve svém těle nabízí i dalším mikroorganismům, například bakterii Hamiltonella defensa. Ta sehrává v těle mšice roli osobního strážce. Kyjatku totiž ohrožují lumčíci, kteří s oblibou kladou do jejího těla vajíčka a larvy, jež se z nich vylíhnou, mšici pomalu za živa požírají. Hamiltonella defensa mšici ochrání a larvy lumčíka zahubí. 

K další bakteriálním podnájemníkům kyjatky hrachové patří bakterie Regiella insecticola. Ta splácí mšici pomyslnou činži ve formě zdravotnické péče. Mšice má totiž ještě dalšího smrtelného nepřítele, jímž je nákaza houbou Pandora neophidis. Pokud však žije ve spolku s regiellou, je k houbě o poznání odolnější.

Univerzální genetický arzenál

Za všechny jedinečné vlastnosti, které zde byly jmenovány, vděčí kyjatka hrachová genům. Má jich opravdu požehnaně, neboť DNA této mšice se skládá z bezmála půl miliardy písmen genetického kódu, v kterých se skrývá asi 35 000 genů. Genetické bohatství mšice vynikne v porovnání s DNA jiných organismů. Člověk má šestkrát více písmen genetického kódu, ale zároveň o 10 000 genů méně než kyjatka. Ptáci ve své dědičné informaci schraňují dvakrát více písmen genetického kódu, ale jen polovinu genů. Jiné druhy hmyzu mají DNA stejně rozlehlou jako kyjatka, ale na geny jsou podstatně chudší.

Kde vzala mšice tolik genů a k čemu je potřebuje? Vysvětlení je překvapivé – kyjatka si celou řadu genů „zazálohovala“. Vytvořila si jejich kopie a uložila je do své DNA. Získala tak „rezervní“ geny a využila je k vývoji genů nových, díky kterým se jí dostalo i nových, výhodných vlastností. Některé z „nadbytečných“ genů zůstaly nepozměněné a dávají organismu vyšší výkonnost, podobně jako má osmiválcový motor vyšší výkon než čtyřválec.

Arzenál zmnožených genů dovoluje mšicím přehazovat výhybky mezi různými typy rozmnožování. Základní sada genů regulujících tvorbu pohlavních buněk zajišťuje tradiční plození potomků, při kterém samci oplodňují samice. Aktivace nadstandardní genetické výbavy umožní kyjatce přivádět na svět letní klonované generace z neoplozených vajíček.

Mšice jsou rovněž bohatě vybaveny geny, jež jim zajišťují úspěšné vyhledávání vhodných rostlin. Kyjatka díky tomu spolehlivě najde hrách a jeho motýlokvěté příbuzné. Rostliny se sice ataku mšic brání pestrým sortimentem jedů, ale kyjatka toxiny dokáže zneškodnit díky sadě ochranných genů.

Výhoda slabé imunity

Skoro se ani nechce věřit, že dědičně obdařená kyjatka některé geny postrádá, ale je to tak. Chybí jí například řada úseků DNA klíčových pro správnou funkci imunitního systému. Z toho důvodu si s mnoha cizorodými látkami nebo choroboplodnými mikroorganismy sama neporadí, protože je nedokáže rozeznat jako cizí. Evolučně jde o velmi riskantní krok. Kyjatka jej však musela podniknout, protože potřebovala vytvořit vhodné podmínky pro své mikrobiální podnájemníky. Soužití s buchnerami, regiellami či hamiltonellami by bylo nemožné, kdyby imunitní obrana mšice na bakterie neustále útočila. Slabý imunitní systém dovoluje mšicím uzavřít s bakteriemi příměří.

Mšice nakonec nepodstupují tak velký hazard, jak by se na první pohled zdálo, protože symbiotické bakterie je chrání proti chorobám i cizopasníkům. Kyjatky jsou jako druh před chorobami a cizopasníky chráněny i svou úžasnou plodností. Množí se tak rychle a masově, že jejich existenci může ohrozit jen máloco.

Kontrolovaný biochemický ping pong

Kromě genů imunitních mšicím chybí i některé geny důležité pro látkovou výměnu. Vzdaly se metabolických  procesů, které za ně vykonávají symbiotické bakterie. Když potřebuje kyjatka hrachová složitějším způsobem zpracovat některé molekuly, přehazuje si je s buchnerou jako horký brambor. Mšice podrobí molekulu jedné biochemické reakci, pro kterou je vybavená, a pak předá polotovar bakterii. Ta provede s molekulou další biochemickou reakci, pro níž má geny, a výsledek své práce vrátí mšici. Tímto biochemickým ping pongem mšice nakonec získá kýžený finální produkt.

TIP: Nesobecké oběti hmyzích hrdinů: Mšice zahyne, aby ostatní mohli žít

Navzdory velmi dlouhému a těsnému soužití si bakterie Buchnera aphidicola a mšice kyjatka navzájem vyměnily jen velmi málo genů. Pár genů, které mšice buchnerám přeci jen uzmula, používá kyjatka v bakteriocytech – tedy v buňkách vyhrazených pro pobyt buchner. Provoz vypůjčených genů vytváří v bakteriocytech podmínky příhodné pro buchnery. Mšice tak drží bakterii v šachu. Kdyby se buchnera začala v těle hostitele příliš roztahovat, mšice by potlačila práci vypůjčených „hostitelských“ genů a bakterii by rázem bylo ouvej.