Насекомые вносят решающий вклад в функционирование экосистемы, и, как и у большинства живых организмов, их совместная эволюция с микробами была необходима для поддержки этих функций. В то время как многие насекомые печально известны тем, что сеют хаос, где бы они ни бродили, многие тысячи видов спокойно занимаются своими делами, предоставляя важные услуги, необходимые для здоровых экосистем, используя инновационную биохимию своих микробиомов.
Новое исследование, проведенное Национальной лабораторией Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab), показывает, как одно такое полезное насекомое, распространенное в восточной части США. S., длиннорогий жук-пассалид (Odontotaenius disjunctus), имеет выносливый пищеварительный тракт с микробами, благодаря которым его древесная диета превращается в энергию, пищу для детенышей и питательные вещества для роста леса. Эти сведения о том, как эволюционировали жук и его особый микробиом, представляют собой дорожную карту для производства доступного природного топлива и биопродуктов.
Статья опубликована сегодня в журнале Nature Microbiology под названием «Анатомические свойства кишечника и микробная функциональная сборка способствуют разрушению лигноцеллюлозы и существованию колонии жука-древоточца».
«Мы обнаружили, что структура кишечника жука позволяет уникальным микробным сообществам сосуществовать, позволяя каждому из них выполнять определенные специфические метаболические процессы, необходимые для эффективного извлечения энергии из древесины», - сказал Хавьер Сеха-Наварро, исследователь лаборатории Беркли. ученый и ведущий автор статьи. «Энергия, полученная из дерева, позволяет жуку поддерживать себя и свое потомство на очень скудной диете."
Жуки-древоядные оказывают лесу бесценную услугу
В лесах по всему миру грубые древесные остатки составляют огромное количество биомассы, которая является жесткой, трудно разлагаемой и несостоятельной с точки зрения питательных веществ из-за низкого содержания в ней азота. Для таких насекомых, как термиты и жук-пассалид, гниющая древесина является основным продуктом питания, из которого они получают энергию и питательные вещества для создания своих клеток и тканей. Взрослый пассалид зарывается своим однодюймовым телом в разложившуюся древесину, которая была предварительно обработана грибами, ускоряя разложение древесины за счет своей кормовой активности и делая древесину и углерод доступными для других организмов в экосистеме.
В колониях пассалидов может быть до семи взрослых особей, которые могут потреблять древесину в четыре раза больше своего веса в день. Эта древесина проходит через сложный пищеварительный тракт жука и, наконец, выводится из организма в виде отходов жизнедеятельности, вежливо называемых мукой.
"Одним из первых моментов, на которые мы обратили внимание, было количество азота, содержащегося в муке, в три раза больше, чем в древесине, потребляемой жуком. Это означало, что жук или его микробы добавляли азот", - сказал Сеха-Наварро..«Мы также заметили, как исчезали жесткие растительные полимеры, такие как лигнин и целлюлоза, и образовывались продукты, богатые энергией, такие как ацетат, а также биотопливо, такое как водород, этанол и метан. Этот жук и его микробы выяснили ученые всего мира. спешат оптимизировать - как эффективно превратить биомассу древесных растений в биотопливо и биопродукты."
Но как? «Мы собрали команду экспертов и использовали передовые инструменты молекулярной биологии вместе со спектрометрией и крошечными датчиками, чтобы обнаружить, что кишечник жука состоит из специализированных отсеков, каждый из которых имеет отдельный микробиом, которые работают вместе почти как фабричная производственная линия, используя уникальная биохимия, позволяющая превращать древесину в пищу и топливо», - сказал Эоин Броди, старший автор и заместитель директора отдела наук о климате и экосистемах лаборатории Беркли.
«Ключевая инновация, которую предоставила здесь природа, - это способ комбинирования биохимических процессов, которые иначе несовместимы», - сказал Броди. Некоторые процессы разрушения лигнина требуют кислорода, в то время как другие, такие как ферментация, которая обеспечивает жука источником энергии, нуждаются в бескислородной среде. Так как же жук решает эту проблему?
«Оказывается, архитектура кишечника жука, такая как длина и толщина стенок его кишечника, эволюционировала в соответствии с его микробиомом, так что определенные метаболические процессы благоприятствуют в разных областях кишечника», - сказал Сеха-Наварро.
Это позволяет реакциям, требующим кислорода, происходить в области кишечника, которая отделена от областей, где микробы проводят реакции, которые будут ингибироваться кислородом. Команда также продемонстрировала, что архитектура кишечника жука предотвращает утечку определенных продуктов, таких как водород, чтобы способствовать производству ацетата, критического источника энергии не только для самого жука, но и для его потомства..
Жуки-пассалиды считаются одними из самых субсоциальных видов, а это означает, что они работают вместе в семейных единицах, чтобы защитить свои дома из бревенчатого туннеля и заботиться о своих детях во взрослом возрасте, что, вероятно, звучит знакомо большинству родителей. Поскольку жук выделяет богатую энергией и питательными веществами муку, которой питается их потомство, теперь кажется, что детеныши также должны быть благодарны родительским микробам. Богатые питательными веществами продукты этих насекомых в конечном итоге возвращаются в лесную почву, поддерживая продуктивность экосистемы, и это исследование подчеркивает важную роль микробиома жуков в этом процессе.
И что дальше? Хотя природа ведет вперед, мы можем учиться на том, как жуки распределяют биохимию по производственной линии, по словам Сеха-Наварро, и создавать искусственные системы для производства биопродуктов, имитируя свойства и функции таких систем, как этот кишечник жука и его микробиом.