Насекомые - невероятно успешный класс животных: они завоевали все континенты и распространились практически во всех наземных экосистемах.
Но они сделали это не в одиночку. Многие виды насекомых хотя бы частично обязаны своим успехом симбиотическим бактериям, вырабатывающим питательные вещества, которые позволяют насекомым выживать при рационе, который был бы невозможен для других животных или без помощи бактерий.
Хотя партнерские отношения между насекомыми и бактериями изучались на протяжении десятилетий, их формирование оставалось загадочным. В исследовании, опубликованном 4 августа в журнале Nature Microbiology, ученые в лабораторных условиях направили эволюцию бактерий на формирование нового партнерства между насекомыми и бактериями, что позволяет понять, как эти симбиозы могут развиваться в природе.
"Это исследование является новаторским и захватывающим, потому что оно показывает удивительную легкость, с которой микроорганизмы могут эволюционировать, чтобы стать симбионтами", - говорит Элисон Рейвенскрафт, исследователь микробиома насекомых из Техасского университета в Арлингтоне, которая не принимала участия в этом исследовании.
В данном исследовании ученые из Национального института передовой промышленной науки и технологии Японии (AIST) использовали в качестве модели клопа-вонючку (Plautia stali). Этот вид имеет специализированные крипты в кишечнике, где обитает его бактериальный партнер (Pantoea sp.), который имеет решающее значение для выживания клопа. Хотя исследователи не уверены на 100%, что именно бактерии так важны для P. stali, соавтор работы, исследователь симбиотической эволюции Такема Фукацу сообщил, что другие виды клопов полагаются на симбиотические бактерии для производства витаминов группы В и незаменимых аминокислот, поэтому вполне вероятно, что симбиотические бактерии P. stali выполняют аналогичную функцию.
Когда исследователи заменили Pantoea клопа гипермутирующим штаммом E. coli, только 5-10 % клопов дожили до взрослого состояния, а те, что выжили, были отстающими в росте и коричневого цвета - резкий контраст с ярким зеленым цветом здорового клопа. В 19 группах клопов с гипермутирующей E. coli ученые отбирали самых здоровых клопов из каждого поколения (определяли либо по росту, либо по самой здоровой окраске) и передавали их бактерии следующим, повторяя процесс в течение 12 поколений. Со временем штаммы кишечной палочки в двух группах насекомых стали полезны для клопов: клопы, получившие эти штаммы, имели улучшенную окраску и в целом имели больше шансов дожить до взрослого состояния по сравнению с предыдущими поколениями.
Проанализировав геномы этих двух штаммов до и после того, как они стали полезными, ученые определили, что оба штамма имели мутации, нарушающие механизм подавления катаболитов углерода (CCR). Механизм CCR помогает бактериям выжить в условиях нехватки глюкозы (предпочтительного источника углерода), позволяя им потреблять другие источники углерода для получения энергии, и включает в себя повышенную или пониженную регуляцию сотен других генов.
Исследователи пока точно не знают, почему эти мутации полезны для E. coli, но одна из гипотез заключается в том, что они могут облегчить адаптацию бактерий к среде крипт кишечника. Внутри крипт клопа бактерии могут не иметь доступа к достаточному количеству глюкозы, объясняет Фукацу. Обычно E. coli пытаются включить механизм CCR, но внутри клопа нет других источников углерода, которые они могли бы использовать. "Следовательно, - говорит Фукацу, - бактерии могут неоднократно напрасно переключать свой метаболизм, что, должно быть, требует от них больших метаболических затрат. Устранение таких метаболических затрат путем инактивации CCR-механизма является возможным источником пользы для бактерий, а в конечном итоге и для хозяина".
Фукацу считает, что устранение этих метаболических затрат может привести к более эффективному производству бактериями питательных веществ, необходимых хозяину, или просто позволить большему количеству бактерий выжить внутри хозяина, что в конечном итоге приведет к увеличению количества питательных веществ, необходимых клопу.
Хотя в данном исследовании переход E. coli к мутуализму с насекомыми, как оказалось, был опосредован механизмом CCR, Фукацу считает, что мутация CCR - это лишь один из многих путей, ведущих к мутуализму. Он говорит, что в настоящее время в лаборатории проводятся эксперименты по созданию многих штаммов кишечной палочки, благотворное влияние которых на клопов, похоже, не связано с механизмом CCR.
"Существует так много генов, которые способствуют установлению и поддержанию симбиоза в этой системе", - говорит он. "Сейчас мы ищем эти другие гены симбиоза. . . . Выяснение всех этих механизмов даст нам более полное, более всестороннее понимание принципов симбиоза".
Это очень важная область исследований, отмечает Рейвенскрафт. "Мы начинаем понимать, что многое в биологии животных и растений зависит от микробных партнеров. . . . Изучение эволюции мутуализма поможет нам понять, как бактерии обеспечивают важнейшие функции как для нас, так и для животных и растений, от которых мы зависим".
