Как симбиотические бактерии с минимальным генетическим набором поддерживают своих хозяев-насекомых

от

Многие насекомые живут в симбиозе с определёнными видами бактерий. Эти бактерии вносят значительный вклад в питание, пищеварение, детоксикацию, размножение и защиту своих хозяев. Из-за тесного сосуществования с насекомыми симбионты часто теряют гены, отвечающие за метаболические процессы, которые также обеспечиваются их хозяевами в ходе коэволюции.

Например, симбионты тростниковых жуков сохраняют очень маленький геном, содержащий только гены, важные для развития жуков.

Интересно, что личинки и взрослые особи жуков имеют разные рационы: личинки питаются бедным аминокислотами корневым соком, а взрослые особи едят листья и цветы с трудноперевариваемыми клеточными стенками. Симбиотические бактерии поддерживают личинок, производя аминокислоты и дополняя таким образом их рацион. Они также помогают взрослым жукам, производя ферменты, которые расщепляют растительные клеточные стенки. Однако не все симбионты приносят пользу на обоих этапах жизни.

Исследование симбионтов тростниковых жуков

Отдел симбиоза насекомых под руководством Мартина Кальтенпота провёл более детальное исследование симбионтов тростниковых жуков. Все тростниковые жуки содержат одного и того же симбионта. Однако исследовательская группа обнаружила, что в некоторых случаях этот симбионт потерял способность производить ферменты для расщепления трудноперевариваемых клеточных стенок растений. Учёные предположили, что производство этих ферментов полезно только для взрослых жуков.

Статья опубликована в журнале EMBO Reports.

«Существуют два типа симбиотических ассоциаций внутри тростниковых жуков. С одной стороны, есть виды жуков, у которых симбионт приносит пользу на обоих этапах жизни; с другой стороны, есть те, у которых только личинки напрямую получают пользу от симбионта. Изначально мы хотели понять, будет ли экспрессия генов симбионта соответствовать этой гипотезе, и будет ли регуляция симбионтом экспрессии генов различаться у видов с одним или двумя преимуществами — и, учитывая небольшой общий размер генома, возможна ли такая регуляция вообще», — говорит первый автор Ана Карвалью, подытоживая первоначальный акцент своего исследования.

Активность генов симбионтов тростниковых жуков адаптирована к потребностям жуков на разных этапах их развития.

Карвалью и её коллеги использовали секвенирование РНК, анализ ферментативной активности и флуоресцентную гибридизацию in situ (FISH) для изучения экспрессии генов, пищеварительной активности у жуков и их симбионтов, а также локализации и формы клеток симбионтов у четырёх видов тростниковых жуков на разных стадиях развития.

«Мы обнаружили, что симбионт последовательно усиливал экспрессию генов биосинтеза аминокислот на личиночной стадии у четырёх видов тростниковых жуков. Мы также наблюдали координацию между экспрессией ферментов, расщепляющих клеточные стенки растений, у хозяина и симбионта на взрослой стадии хозяина, что подчёркивает, как тонкая настройка экспрессии генов симбионта может оптимизировать предоставление преимуществ симбионтом», — говорит Карвалью.

Команда не только смогла обнаружить изменённую экспрессию генов на разных этапах развития жуков, но и использовала методы визуализации, чтобы продемонстрировать, что симбионт изменяет форму своих клеток в течение жизненного цикла. Это может быть связано с его изменённой метаболической функцией на личиночной и взрослой стадиях хозяина-жука.

Поскольку исследование было сосредоточено на том, может ли симбионт регулировать свою экспрессию генов, несмотря на маленький геном, исследовательская группа также изучила возможные различия в реакции на колебания температуры, с которыми сталкиваются тростниковые жуки в течение своего жизненного цикла. Для этого исследователи подвергли личинок тростниковых жуков двум различным температурным циклам в течение одного месяца: с колебаниями между 12 °C и 8 °C, а также между 22 °C и 14 °C соответственно.

Несмотря на сильно уменьшенный геном и регуляторный аппарат, чётко проявился паттерн экспрессии генов в зависимости от температуры. Симбионт мог активировать разные гены в зависимости от температуры. В холодных условиях, например, симбионт активировал механизм стресса, который обычно реагирует на тепло у свободноживущих бактерий, но, по-видимому, эволюционировал, чтобы реагировать на низкотемпературный стресс в данном случае.

Хотя исследование отвечает на многие вопросы, оно также ставит новые. Какие функции выполняют оставшиеся переключатели генов симбионта (факторы транскрипции) и как контролируются определённые гены в их отсутствие? Почему симбионты меняют форму и какую пользу это приносит им и их хозяину? Необходимы дальнейшие эксперименты с тростниковыми жуками или более простыми для изучения моделями насекомых-бактерий, чтобы прояснить это.

«Наши результаты показывают, что маленькие геномы симбионтов могут регулировать некоторые очень важные процессы, демонстрируя, что регулируемый метаболизм может поддерживаться с минимальным набором генов. Теперь мы хотели бы получить более фундаментальное представление о том, как именно работает метаболическая координация между хозяином и симбионтом», — подытоживает Кальтенпот.

Предоставлено Max Planck Society.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте