Жуки-лаки являются носителями дрожжеподобного симбионта, который производит ярко-красный пигмент, имеющий коммерческое значение, и который является продуктом симбиоза насекомых и микробов.
На протяжении тысячелетий ремесленники окрашивают текстиль, украшения и изделия ручной работы с помощью насыщенного яркого красного пигмента, который они получают из лаковых насекомых. Наиболее широко культивируемое лаковое насекомое, Kerria lacca, имеет ярко-малиновый цвет благодаря своим природным пигментам, так называемым лаковым кислотам.
Когда Шантану Шукла, энтомолог из Индийского института науки, решил лучше изучить этих важных с коммерческой и культурной точки зрения насекомых, он столкнулся с препятствием. «Я понял, что многое из фундаментальной биологии остается неизвестным», — рассказывает он. Более того, несмотря на обширные исследования, ученые до сих пор не до конца понимают биосинтетическое происхождение лакового пигмента. Недавно Шукла и его коллеги обнаружили, что K. lacca являются носителями дрожжеподобного симбионта, который производит красочный пигмент и обеспечивает насекомых необходимыми питательными веществами, которых не хватает в их растительной диете.
Их открытия, опубликованные в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, подчеркивают роль грибковых симбионтов в обеспечении насекомых питанием и другими метаболитами. «Это удивительно простое, но очень впечатляющее [исследование]», — считает Эллисон Хансен, энтомолог и эволюционный биолог из Калифорнийского университета, не участвовавшая в исследовании. «Здорово, что теперь мы понимаем происхождение этого красителя и то, что он не является продуктом насекомого или растения».
Чтобы охарактеризовать лакового жука, Шукла и его коллеги секвенировали его геном, а также геномы его известных симбионтов: бактерий рода Wolbachia и неидентифицированного дрожжеподобного грибка. Они обнаружили, что ни лаковый жук, ни Wolbachia не обладают генами, необходимыми для производства молекул, из которых состоят лаковые кислоты. Однако гены дрожжеподобного симбионта кодировали различные ферменты, которые это делали, что указывало на грибок как единственный вероятный источник пигмента. «[Исследование] приняло совершенно неожиданный, удивительный и интересный оборот», — рассказал Шукла.
Исследователи подтвердили, что пигмент происходит из дрожжеподобного симбионта, опрыскав лаковых насекомых фунгицидами. Уничтожение грибкового симбионта привело к снижению экспрессии генов, необходимых для синтеза пигмента. Масс-спектрометрия показала более низкие концентрации лаковых кислот у насекомых, обработанных фунгицидами, которые также выглядели более бледными по сравнению с необработанными насекомыми. Однако обработка фунгицидами не уничтожила грибок полностью. «Поэтому насекомые не были полностью бесцветными», — сказал Шукла.
То, что пигмент происходил из микробиома насекомого, не совсем удивило Хансен. «Было интересно увидеть, что это связано с этим дрожжеподобным симбионтом». При этом она отметила, что исторически энтомологи приписывали насекомым несколько черт, но прогресс в области геномных технологий помог определить, что некоторые из них связаны с симбионтами насекомых. Насекомые, обработанные фунгицидом, не только выглядели бледными, но и имели меньшие размеры тела, что позволяет предположить, что дрожжеподобный симбионт играл роль в питании насекомых. Более тщательное изучение генома симбионта показало, что он нес гены, кодирующие несколько важных питательных веществ, которых не хватало в рационе насекомых.
Чтобы лучше понять дрожжеподобный симбионт, Шукла и его коллеги провели ПЦР с использованием специфических для грибков праймеров и обнаружили его присутствие на всех стадиях жизни насекомого. Визуализация с помощью флуоресцентных зондов показала, что симбионт оставался в полостях тела незрелых насекомых, прикреплялся к яйцеклеткам и проникал в них после их развития. Оттуда он передавался зародышу, что свидетельствовало о механизме вертикальной передачи от родителей к потомству. Хотя в исследовании было дано геномное описание пигмента, Хансен отметила, что исследователи все еще не до конца понимают его биологическую роль. «Это интересный вопрос, который также нужно прояснить», — сказала она.
Между тем, Шукла также надеется выяснить, как появился этот симбиоз. «Какие сигналы развились у насекомых и микробов, чтобы они могли понять, что это дружественный грибок, а не вредный?» — спрашивает он. Это лишь один из вопросов, которые он надеется изучить в будущем.
