Міцна кутикула жуків-довгоносиків розвивається за участю симбиотической бактерії • Сергій Лисенков • Новини науки на "Елементи" • Еволюція, Ентомологія, Мікробіологія, Генетика

Міцна кутикула жуків-довгоносиків розвивається за участю симбиотической бактерії

Мал. 1. Використані в дослідженні жуки-довгоносики і будова геномів живуть в них симбіотичних бактерій з роду Nardonella. Більшість дослідів проводилося з жуком Pachyrhynchys infernalis. різними кольорами позначені передбачувані біологічні функції виявлених генів. Малюнок з обговорюваної статті вPNAS

Японські біологи вивчили симбіонтів жуків-довгоносиків – бактерій нардонелл. Як виявилося, ці стародавні симбіонти втратили практично всі гени, крім тих, які потрібні для відтворення клітин і синтезу амінокислоти тирозину. Саме виробництво цієї речовини, необхідного для нормального розвитку кутикули, є їх основною функцією в організмі жуків. За відсутності достатньої кількості бактерій жуки народжуються з недорозвиненими надкрильямі. Можливо, саме цей симбіоз дозволив жукам-довгоносикам розвинути дуже міцну кутикулу – що, в свою чергу, могло сприяти їх еволюційному успіху.

В останні десятиліття накопичується все більше даних про те, що бактеріальні симбіонти грають найважливішу роль у формуванні ознак багатоклітинних організмів, виконуючи частину потрібних господарям функцій і впливаючи на розвиток окремих органів і поведінки (див., Наприклад,наші новини Бактерії-симбіонти замінили морському хробакові органи травлення і виділення, "Елементи", 19.09.2006; Здатність попелиць пристосовуватися до до коливань температури залежить від симбіотичних бактерій, "Елементи", 13.04.2007; Кишкова бактерія впливає на соціальну поведінку мишей, "Елементи", 21.06.2016). Багато з цих симбіонтів не здатні існувати самостійно і значно спростили свої геноми за десятки і сотні мільйонів років життя в господарів. Мабуть, це "перехідні ланки" від вільноживучих організмів до органел, що походить від симбіонтів, – таким, як мітохондрії і хлоропласти.

Один із прикладів такого симбіозу – бактерія Nardonella і жуки-довгоносики. Жуки (твердокрилі) самі по собі – найбагатший видами загін комах (відома історія, як британський біолог Джон Холдейн, один з авторів синтетичної теорії еволюції, у відповідь на питання про те, яке властивість Творця найбільш яскраво проявилося в Природі, сказав, що це "Надзвичайна любов до жукам"). А серед жуків одні з найчисельніших – довгоносики (сімейство Curculionidae). За кількістю видів вони поступаються тільки жукам-стафілініди. Але якщо брати до уваги всі надродина довгоносикоподібні (Curculionoidea),до якого відносяться довгоносики, то це буде найбагатша видами група жуків (близько 70 000 описаних видів, і при цьому щороку описують значне число нових!).

Симбиотическая гамма-протеобактерий Nardonella живе в багатьох довгоносиків. Мабуть, цей симбіоз виник понад 100 мільйонів років тому. Однак роль цієї бактерії в житті жуків досі не була відома.

Велика група японських біологів вивчила геном і біологічні функції нардонелли у чотирьох видів мешкають на острові Окінава жуків-довгоносиків (рис. 1) і з'ясувала, що ми маємо черговий приклад сверхупрощенного симбіонту, службовця виконання однієї потрібної господареві функції, а саме – синтезу амінокислоти тирозину, важливої ​​для формування міцної кутикули.

Нардонелла мешкає у личинок жуків всередині спеціального органу – бактеріома, розташованого в місці з'єднання передньої і середньої кишки, а у дорослих самок – в яєчниках і розвиваються яйцях (рис. 2).

Мал. 2. Жук-довгоносик Pachyrhynchys infernalis і його бактеріальний симбіонт Nardonella. А – дорослий жук, В – личинка, З – відпрепарованих кишечник жука з прикріпленим бактеріомом, D – ізольовані частки бактеріома, Е – локалізація нардонелл в яєчниках самок жуків, F – нардонелли в цитоплазмі бактеріоцітов, G – електронна мікрофотографія клітин бактерій всередині бактеріоціта (овальні та круглі структури – зрізи під різними кутами). червоним пофарбовані 16S рРНК бактерій, синім – ДНК господаря. Малюнок з обговорюваної статті в PNAS

Розмір геному нардонелл виявився одним з найменших серед відомих бактеріальних ендосімбіонтов – у різних штамів, отриманих з вирощених в лабораторії жуків різних видів, він мав від 0,2 до 0,23 мільйонів пар основ (рис. 1), з 196-226 передбачуваними білок-кодують відкритими рамками зчитування. Крім основної кільцевої хромосоми у симбіонтів одного з видів жуків, Sipalinus gigas, Також знайшли маленьку плазмиду розміром 2,1 тисячі пар підстав, несе за все два гена. Незважаючи на малий розмір, геном нардонелл містить повний набір генів, що відповідають за реплікацію, транскрипцію і трансляцію, а також за синтез пептідогліканов, необхідних для побудови клітинної стінки бактерії. Крім цих життєво важливих функцій, єдиний інший біохімічний шлях, цілком представлений в геномі цих симбіонтів, – це синтез тирозину.В їх геномі є ще лише кілька генів, що беруть участь в інших біохімічних процесах.

Таким чином, нардонелли представляють собою високоспеціалізовані самовідтворюються "машини" для синтезу тирозину. Це підтвердили і досліди з культурами бактеріоцітов (клітин бактеріомов) жука Pachyrynchus infernalis (Наступні досліди проводилися також тільки з нардонелламі з цього жука), що вирощуються в середовищі з позначеним радіоактивним азотом глутамином (ця амінокислота використовувалася як джерело аминогрупп для синтезу інших амінокислот в клітинах бактерій і жуків) – згодом він виявлявся майже виключно в тирозин (рис. 3 ). Вирощування личинок жуків при підвищеній температурі (30 ° C) практично повністю вбило нардонелл в бактеріомах – і суттєво знизило включення радіоактивного азоту в тирозин. Таким чином, синтез цієї амінокислоти дійсно в основному результат діяльності симбіотичних бактерій.

Мал. 3. Кількість незамінних (D), Полузаменімих (E) І замінних (F) Амінокислот в культурі бактеріоцітов, вирощуваних в середовищі з джерелом радіоактивного азоту. Темно-зеленим відзначено кількість амінокислот, що містять радіоактивну мітку, – вони були синтезовані в процесі проведення експерименту, а не перебували в культурі з самого початку. Малюнок з обговорюваної статті в PNAS

Однак нагрівання занадто добре вбивало бактерій: жодна з брали участь в цьому досвіді личинок не змогла сформуватися в дорослу особину. Тому далі вчені використовували менш радикальний спосіб зменшення зараженості жуків нардонеллой. Вони додавали в спеціально розроблений корм на основі агару невелика кількість антибіотика рифампіцину. За відсутності антибіотика на цьому кормі жуки розвивалися нормально і їх бактеріоми були наповнені клітинами симбіонтів (рис. 4) – все було так само, як і на стандартній дієті з топінамбура. Личинки, яким згодовували антибіотик, також росли, але їх бактеріоми містили істотно менше бактеріальних клітин. Цікаво, що у лялечок і дорослих особин бактерії відновлювали свою чисельність – мабуть, після того, як личинки переставали харчуватися перед окукливанием, що вижили нардонелли посилено розмножувалися. Личинки, які харчуються антибіотиком,виживали краще контрольних – на відміну від наступних стадій! Вони були більшими і потім довше перебували в стадії лялечки – це говорить про те, що рифампіцин на ранніх стадіях розвитку йшов жукам на користь. Автори пов'язують це з тим, що він не давав іншим бактеріям заражати корм, що часто траплялося в контролі.

Мал. 4. Придушення нардонелл антибіотиком в жуках. А, З, Е – проби з личинок у контрольній групі (яким не давали антибіотик). В, D, F – проби з личинок, в їжу яких додали антибіотик. А, В – бактеріоми личинок під світловим мікроскопом, синім забарвлена ​​ДНК бактерій (в контролі майже вся цитоплазма клітин синя через великої кількості ДНК). C, D – зрізи бактеріомов личинок. E, F – електронні мікрофотографії бактеріоцітов личинок (в контролі майже вся цитоплазма заповнена клітинами бактерій). GI – кількість бактерій (виміряний як кількість копій бактеріального гена groEL) У личинок старших вікових груп (Mature larvae), лялечок (Pupae) і щойно вилупилися дорослих (New adults). JL – щільність бактерій на тих же стадіях розвитку жука (виміряна як відношення числа копій бактеріального гена groEL до числа копій тваринного гена EF1a). Малюнок з обговорюваної статті в PNAS

Зменшення числа бактеріальних симбіонтів не тільки призводило до зрослої смертності на пізніх стадіях розвитку – дорослі жуки Pachyrhachys infernalis, Які виросли на дієті з антибіотиками, мали багато аномалій у розвитку надкрила (рис. 5). Надкрила у них ставали червоними, деформованими і м'якими (при цьому в нормі довгоносики – одні з найбільш "жорстких" жуків; на мою власного досвіду, проткнути їх ентомологичеськой шпилькою буває досить важко). Червоний колір – теж свідчення недорозвинення надкрила, так як з плином часу червонуваті жуки поступово чорніли (при цьому у особин, які народилися червоними, була підвищена смертність). Вимірювання показали, що, всупереч очікуванням, в середньому модуль пружності надкрила (кількісна міра їх міцності) вирізнявся у контрольних і харчувалися антибіотиком жуків – так що їх м'якість, мабуть, була пов'язана з меншою товщиною (після вилуплення надкрила товщають, але у особин з контрольної групи досягають більшої товщини). Всі разом ці дані вказують, що нестача симбіотичних бактерій призводить у довгоносиків до недорозвинення надкрила.

Мал. 5. А – нормально розвинений жук Pachyrhunchus infernalis з чорними твердими надкрильямі. BD – морфогенетические аномалії, що виникають у жуків, в личинках яких було мало симбіотичних бактерій: червоні (В), Деформовані (З) І м'які (D) Надкрила. Зображення з обговорюваної статті в PNAS

Тирозин і його похідне ДОФА (L-диоксифенилаланин) дійсно грають важливу роль в склеротизації і пігментації надкрила (див. M. Y. Noh et al., 2016. Cuticle formation and pigmentation in beetles), запускаючи відповідний каскад біохімічних реакцій. І у вигодуваних на антибіотик-яка містить дієті личинок пізнього віку, як і у що з'явилися з них лялечок, концентрація цих речовин була очікувано нижче, ніж у контрольних особин, що мали достатню кількість бактерій.

Однак, хоча геном нардонелли і дозволяє назвати їх "машиною з виробництва тирозину", ця бактерія позбавлена ​​генів ферменту, каталізу останню стадію синтезу цієї амінокислоти, – тирозин-трансаміназ. Вчені припустили, що завершення синтезу контролюється геномом самого жука. Вони перевірили його транскриптом на наявність РНК, що кодують здатні до виконання цієї функції білки, відомі у інших комах, – глутамат-оксалоацетат трансамінази 1 і 2 (GOT1 і GOT2) І тирозин-амінотрасфераз (TAT). З'ясувалося, що у жуків експресуються три копії гена GOT1 (Їх позначили літерами А, В і З), Дві копії гена GOT2 (А і В) І одна копія гена TAT. РНК останнього ферменту було виявлено дуже мало, а ось РНК генів GOT1A і GOT2A виявилися основними транскрипт, які виявляються в клітинах бактеріома.

Щоб з'ясувати, як відключення Жучиний генів трансаміназ впливає на розвиток личинок, вчені використовували РНК-інтерференції – пригнічення експресії гена шляхом введення в організм дволанцюжкових РНК (це імітує вірусну інфекцію і включає один з механізмів імунітету). Одночасне введення дволанцюжкових РНК GOT1A, GOT2A і TAT в культуру бактеріоцітов істотно знижувало експресію перших двох генів (експресія TAT і так була дуже низькою – настільки, що її потенційне зниження було за межами можливостей вимірювання) і продукцію тирозину. При цьому жодна з зазнали такою ж процедурою особин Жуков не вилупилася з лялечки – максимум, вони могли сформувати дорослу особину з несклеротізованной кутикулою, яка залишалася всередині оболонки лялечки. Якщо ж за допомогою РНК-інтерференції придушували тільки експресію гена GOT2A, То жуки виживали, але у них були такі ж аномалії розвитку надкрильев, як у тих, у кого придушували активність бактеріальних симбіонтів.

Таким чином, жуки-довгоносики використовують нардонелл для виробництва необхідного їм для освіти кутикули тирозину, зберігаючи контроль над цим процесом. Схожа картина відома і в інших подібних симбіотичних системах. Так, геном бактеріального симбіонту попелиць Buchnera теж містить гени для всіх стадій синтезу п'яти вироблених ними амінокислот, крім останніх, контрольованих геномом комахи.

Можливо, симбіоз з нардонеллой зіграв важливу роль в еволюційному успіху довгоносиків (нагадаємо, що це друге за кількістю видів сімейство жуків), адже дуже міцна кутикула захищає їх від хижаків, механічних впливів і висихання. Недавні дослідження показали, що кутикула довгоносиків відрізняється тісно переплетеними ділянками екзо і ендокутікули (див. Покрови тіла та їх похідні) – заманливо припустити, що симбіонти відповідальні і за це, однак поки ніяких доказів немає.

За більш ніж 100 мільйонів років спільного життя нардонелли втратили здатність до самостійного існування: вони навіть не заражають нових особин, переходячи вертикально, від матері до нащадків (це підтверджується і строгим збігом филогенетических дерев довгоносиків і нардонелл – розбіжність ліній у одних збігається з розбіжністю ліній у інших).Однак таке сверхупрощеніе призводить до того, що нардонелли щодо часто можуть втрачатися: відомо багато груп довгоносиків, позбавлених цих бактерій. Мабуть, цьому може сприяти перехід жуків на багату тирозином їжу або зараження іншими тирозин-продукують бактеріями (а таких досить багато). Ймовірно, останній випадок стався в еволюції довгоносиків роду Sitophilus, У яких нардонелли заміщені іншими гамма-протеобактерий, Sodalis pierantonius. Ці симбіонти мають бпрольшим геномом (4,5 мільйона пар основ), в якому закодовані багато біологічні функції, хоча і у них виявляються ознаки виродження: в геномі багато псевдогенов і Інсерційні послідовності (див. IS-елементи). Sodalis pierantonius виконує безліч функцій в розвитку свого господаря, однак, мабуть, саме синтез тирозину і зміцнення кутикули дозволило цієї бактерії замістити нардонеллу і зараз вона рухається тим самим шляхом спрощення, тільки знаходиться на більш ранній стадії.

бактерії Nardonella і жуки-довгоносики являють собою ще один приклад того, наскільки тісним може бути симбіоз, в якому один з організмів фактично втрачає самостійність.Однак залежність виявляється взаємної: як нардонелли не виживають поза організмом жука, так і жуки без бактерій не можуть завершити своє індивідуальне розвиток. Звичайно, жуки все ж більш самостійні – про це свідчать випадки втрати або заміщення симбіонтів. Але навряд чи вони коли-небудь зовсім позбудуться них. Швидше, можна очікувати, що через довгий час нардонелли втратять навіть здатність до самостійного розмноження і перетворяться в особливі органели.

джерело: Hisashi Anbutsu, Minoru Moriyama, Naruo Nikoh, Takahiro Hosokawa, Ryo Futahashi, Masahiko Tanahashi, Xian-Ying Meng, Takashi Kuriwada, Naoki Mori, Kenshiro Oshima, Masahira Hattori, Manabu Fujie, Noriyuki Satoh, Taro Maeda, Shuji Shigenobu, Ryuichi Koga , and Takema Fukatsu. Small genome symbiont underlies cuticle hardness in beetles // PNAS. 2017. V. 114. P. 8381-8391. DOI: 10.1073 / pnas.1712857114.

Сергій Лисенков


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: