Жук-листоед установил симбиотические отношения с бактериями, которые позволяют насекомому расщеплять пектин - часть клеточной стенки растения, неперевариваемую большинством животных.
Журнал Cell опубликовал данные о новой функции бактерии, которая имеет удивительно крошечный геном - намного меньше, чем предыдущие отчеты о минимальном размере, необходимом для организма, не живущего в клетке-хозяине.
«Это насекомое питается листьями в основном из-за этих бактерий», - говорит Хассан Салем, ведущий автор исследования и научный сотрудник биологического факультета Университета Эмори. «И бактерии фактически интегрировались в тело насекомого».
Два органа рядом с передней кишкой жука Cassida rubiginosa являются домом для бактерий и, по-видимому, не имеют никакой другой функции, кроме поддержания этих микробов. «Эти органы аналогичны печени человека в том смысле, что они содержат инструменты для расщепления и переработки пищи», - говорит Салем.
Недавно охарактеризованная бактерия имеет всего 270 000 пар оснований ДНК в своем геноме, по сравнению с миллионами, более типичными для бактериальных штаммов. Это делает его геном ближе к внутриклеточным бактериям и органеллам, чем к свободноживущим микробам. Митохондрии, например, органеллы, которые регулируют метаболизм внутри клеток, имеют 100 000 пар оснований.
Салем - исследователь в лаборатории биолога Эмори Николь Херардо, доцента, специализирующегося на эволюционной экологии взаимодействия насекомых и микробов. Лаборатория сочетает геномный и экспериментальный подходы к изучению того, как полезные и вредные микробы устанавливают и поддерживают отношения со своими хозяевами.
Кишечник человека содержит около 10 000 видов бактерий. Эти микробные сообщества, которые можно генетически охарактеризовать как микробиомы, передаются из поколения в поколение, но также динамичны и реагируют на изменения окружающей среды. Микробиом горожанина, например, отличается от микробиома охотника-собирателя.
В отличие от людей, насекомые, как правило, имеют особую экологию питания. Они предлагают простые модели для изучения симбиотических отношений между микробами и их хозяевами.
Салем был очарован Cassida rubiginosa, более известной как жук-черепаха, когда он был аспирантом Института химической экологии им. Макса Планка в Йене, Германия. Он листал издание 1953 года книги покойного Пауля Бюхнера, немецкого ученого и одного из пионеров систематических исследований симбиоза у насекомых. Бюхнер сослался на статью, опубликованную в 1936 году одним из его учеников, Гансом-Юргеном Штаммером, о Cassida rubiginosa.
"Стаммер писал, что, в отличие от большинства жуков-листоедов, которых он изучал, у этого были мешковидные органы, которых он никогда раньше не видел, и органы были заполнены микроорганизмами", - говорит Салем, который посмотрел Оригинальную статью Штаммера в ныне малоизвестном журнале. «У него не было мощных микроскопов, которые есть у нас сейчас, или технологии секвенирования генома, поэтому он не мог комментировать функциональность таинственных микробов. животное было кашеобразной наукой."
Заинтригованный статьей, Салем отправился в близлежащий лес, чтобы собрать листоедов. «Чтобы найти этих жуков, их не нужно искать, - объясняет он. «Иди ищи растения, которые они едят».
Жук-черепаха питается жесткими колючими листьями калифорнийского чертополоха (Asteraceae). Этот плодовитый сорняк растет по всему миру, и его трудно контролировать. «Он появляется во многих районах, где разводят овец», - говорит Салем. «На самом деле, это огромный вредитель для новозеландских овцеводов. Чем больше чертополоха покрывает сельскохозяйственные угодья, тем меньше еды приходится овцам есть и тем ниже урожайность. Но от чертополоха трудно избавиться, потому что его корни уходят так глубоко».."
Салем отправился по следу своего любопытства в Новую Зеландию, проводя время с исследователем сельского хозяйства Майклом Криппсом, который разводит жуков-черепах в качестве модели биологической борьбы с чертополохом. «Вы бросаете 100 жуков на чертополох, и насекомые просто истощают его метаболизм, пока оно не умрет», - объясняет Салем.
Как травоядное животное, которое специализируется на поедании листьев, жук-черепаха должен потреблять большое количество клеточных стенок растений, состоящих из трудноперевариваемых материалов, таких как пектин. Один из самых сложных природных полисахаридов, пектин представляет собой желеобразное вещество, которое придает стенкам растительных клеток форму и жесткость. Хотя было неясно, как жук получал необходимые питательные вещества, аминокислоты и витамины из такой диеты, Салем предположил, что определенную роль в этом сыграли симбиотические бактерии.
Когда он присоединился к лаборатории Герадо в Эмори, Салем продолжил изучать жука-черепаху и его микроорганизмы с помощью коллеги-постдока Эйлин Берасатеги, соавтора статьи Cell.
Они использовали технологию секвенирования генома, чтобы охарактеризовать микроорганизмы как новый вид бактерий. Несмотря на крошечный геном, бактерия способна разлагать пектин.
«Точно так же, как у высшего хищника есть когти и сильные челюсти, чтобы получать питательную ценность, в которой он нуждается от своей добычи, у бактерии есть гены переваривания пектина, которые позволяют жуку-хозяину разрушать растительную клетку», - говорит Салем.
После того, как бактерия расщепляет пектин, пищеварительная система жука получает доступ ко всем аминокислотам и витаминам в клетках растения для получения питательных веществ.
Салем окрестил новую бактерию Candidatus Stammera capleta в честь Ганса-Юргена Штаммера, эколога, который впервые увидел ее и задумался над ней более 80 лет назад.
«Самое удивительное для меня то, что мы сделали это открытие, потому что я прочитал очень старую книгу», - говорит Салем. «Это говорит о важности коллекций естественной истории и библиотек для старых журналов. Мы действительно стоим на плечах гигантов, продолжая работу тех, кто был до нас».