Washington, DC, USA
November 2, 2009
Aided by a genomic map of the red flour beetle, Tribolium castaneum, Agricultural Research Service (ARS) and university scientists are plotting a kind of genetic sabotage on the pest’s basic life functions—from locomotion to digestion.
Nationally, infestations of flour beetles and their beetle cousins cost millions of dollars in losses annually to stored grains and the food products made from those grains. Warehouse sanitation usually keeps beetle numbers down, but severe cases can necessitate the use of chemical controls. The problem is that T. castaneum has shown a propensity for developing resistance to insecticides.
As an alternative, a team of ARS and Kansas State University scientists is examining ways to exploit specific genes that regulate where, when and how a substance called chitin is used to form the beetle’s outer shell, or exoskeleton.
Led by ARS entomologist Richard Beeman, the team identified nine genes encoding specialized enzymes, dubbed “chitin deacetylases” (CDAs), which trim off branches of a long chain of simple sugars that make up raw chitin.
Which branches get trimmed depends on where chitin is needed on a developing beetle’s body, and for what purpose, explains Beeman, with the ARS Stored Product Insect Research Unit in Manhattan, Kan. For example, around leg joints, chitin’s branched-chain structure must be snipped to allow for flexibility and movement. But around the head and thorax, where protection of vital organs is key, a heavier, stiffer chitin deposition is needed, requiring a different form of CDA trimming.
Beeman and KSU collaborators Subbaratnam Muthukrishnan and Yasuyuki Arakane used a biotech procedure called “RNA interference” to demarcate the genes’ roles and observe what effect their elimination had on the insect’s development or survival. Some CDA-deficient strains developed in the lab couldn’t bend their legs as adult beetles, making it impossible for them to walk, mate or feed. Another such strain couldn’t shed its old exoskeleton.
Ultimately, such observations could open the door to chitin-disabling biopesticides or anti-chitin proteins engineered into crop plants.
Read more about this research in the November/December 2009 issue of Agricultural Research magazine.
The research supports the U.S. Department of Agriculture priority of promoting international food security.
ARS is USDA’s principal intramural scientific research agency.
Photo by Peggy Greb.
Científicos planean un truco genético contra una plaga en los granos almacenados
Con la ayuda de un mapa genético del escarabajo rojo de la harina (Tribolium castaneum), científicos del Servicio de Investigación Agrícola (ARS) y sus colegas universitarios están planeando una forma de sabotaje genético en las funciones básicas de vida del escarabajo—desde su movimiento a su digestión.
Nacionalmente, infestaciones por estos escarabajos y sus “primos” causan millones de dólares en pérdidas anualmente en los granos almacenados y los productos alimenticios producidos con esos granos. El saneamiento de depósitos típicamente disminuye las poblaciones de escarabajos, pero casos severos pueden requerir el uso de productos químicos para controlar las plagas. Desafortunadamente, T. castaneum tiene una propensión a desarrollar resistencia a los insecticidas.
Como una opción alternativa, un grupo de investigadores del ARS y la Universidad Estatal de Kansas (KSU por sus siglas en inglés) está examinando maneras de explotar los genes específicos que regulan dónde, cuándo y cómo una sustancia llamada quitina se usa para formar el caparazón externo, llamado el dermatoesqueleto, del escarabajo.
Encabezado por entomólogo Richard Beeman con el ARS, el grupo identificó nueve genes que estimulan la producción de enzimas especializadas, llamadas deacetilases de quitina (CDAs por sus siglas en inglés), que quitan ramas de la cadena larga de azúcares simples que constituyen la quitina.
Cuáles de las ramas se quitan dependen de dónde se necesita la quitina en el cuerpo del escarabajo durante el desarrollo, y el propósito de la quitina, según Beeman, quien trabaja en la Unidad de Investigación de Insectos de Granos Almacenados mantenida por el ARS en Manhattan, Kansas. Por ejemplo, alrededor de las articulaciones de la pata del escarabajo, la estructura de ramas de quitina se tiene que cortar para permitir flexibilidad y movimiento. Pero alrededor de la cabeza y el tórax, donde la protección de los órganos vitales es imprescindibles, se necesita un depósito más denso y más rígido de la quitina, el cual requiere acciones diferentes por los CDAs.
Beeman y sus colaboradores Subbaratnam Muthukrisnan y Yasuyuki Arakane de KSU usaron un procedimiento biotecnológico llamado la interferencia de ARN para demarcar los papeles de los genes y observar el impacto de su eliminación en el desarrollo y la supervivencia del escarabajo. Algunas razas de escarabajos desarrolladas en el laboratorio para carecen de CDA no pudieron flexionar sus patas como adultos, haciendo imposible la alimentación, la reproducción y el movimiento. Otra raza similar no pudo mudar su dermatoesqueleto.
Finalmente, tales observaciones podrían abrir la puerta al desarrollo de biopesticidas que desbaratan la quitina de los insectos, o proteínas anti-quitina incorporadas en las plantas de cultivos.
Lea más sobre esta investigación en la revista 'Agricultural Research’ de noviembre- diciembre del 2009.
Esta investigación apoya la prioridad del Departamento de Agricultura de EE.UU. (USDA por sus siglas en inglés) de promover la seguridad alimentaria internacional.
ARS es la agencia principal de investigaciones científicas del USDA.
