Бактерии ухаживают за садами муравьёв-листорезов

Муравьи-листорезы, известные как крошечные красные точки, несущие зелёные листья в тропических лесах, также являются талантливыми фермерами, которые культивируют сады из грибов и бактерий. Муравьи питаются грибами из так называемых грибных садов, но роль бактерий до недавнего времени оставалась неясной.

Новое исследование показывает, что бактерии помогают разлагать листья и играют важную роль в превращении листьев в питательные вещества, которые могут быть важны как для муравьёв, так и для грибов. Результаты были опубликованы 1 марта в журнале The ISME Journal.

«Это исследование даёт некоторые из первых конкретных деталей об увлекательных симбиотических отношениях между муравьями-листорезами, грибами и бактериями», — сказала Кристин Бёрнум, биоаналитический химик из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США. «Понимание того, как бактерии превращают растительную массу в источник энергии в грибных садах муравьёв, также может помочь улучшить производство биотоплива».

Эти сады изначально засеваются муравьями, которые приносят кусочки листьев в свои подземные гнёзда. Из листьев вырастает гриб Leucoagaricus gongylophorus, традиционно считающийся пищей муравьёв. Отношения между муравьями-листорезами и грибами известны с 1874 года, но только в конце 1990-х годов учёные начали идентифицировать бактерии в подземных садах.

С тех пор идёт оживлённая дискуссия о роли бактерий. Поскольку чистые образцы садовых грибов, выращенные в лабораториях, нелегко разлагают целлюлозу, многие учёные утверждали, что бактерии помогают разлагать листья. Другие исследователи предположили, что бактерии — подобно микроскопическим организмам в нашем кишечнике — помогают муравьям получать питательные вещества из листьев.

Ведущий автор Фрэнк Эйлуорд из Университета Висконсин-Мэдисон, Бёрнум и их соавторы решили помочь разрешить спор, проведя всестороннее исследование различных видов бактерий, живущих в садах, и изучив набор белков, которые производят эти бактерии. Они собрали образцы грибных садов, за которыми ухаживали два вида муравьёв, Atta colombica и Atta cephalotes.

Чтобы получить результаты, более точно отражающие большое разнообразие реальных садов, команда собрала крупные образцы с перемешанными кусочками листьев, муравьёв, грибов и бактерий. Это позволило им лучше изучить всё сообщество бактерий, живущих в садах. Затем команда изучила гены и белки бактериального сообщества — подход, известный как метагеномика и метапротеомика.

Исследователи секвенировали генетические образцы в Объединённом институте генома Министерства энергетики США в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли. С помощью обширной библиотеки бактериальных генов, разработанной соавтором Кэмероном Карри, члены команды из Университета Висконсин-Мэдисон идентифицировали тысячи бактериальных генетических последовательностей из двух муравьиных садов. Более двух третей обнаруженных видов бактерий принадлежали всего к нескольким группам. Более половины из них относятся к семейству Enterobacteriaceae, члены которого известны ферментацией сахаров и включают кишечные микробы, помогающие животным переваривать пищу.

Бёрнум и её коллеги из PNNL исследовали белки бактерий — «рабочие лошадки» клетки, выполняющие задачи, необходимые для поддержания жизни организмов. Они использовали масс-спектрометры в EMSL (Лаборатории экологической молекулярной науки Министерства энергетики США) для идентификации белков в гнезде A. colombica.

Они обнаружили белки, участвующие в удивительно большом количестве различных метаболических путей, включая:

• Расщепление сложных сахаров, которые делают растения жёсткими и прочными, но трудными для переваривания
• Транспорт сахаров, позволяющий использовать расщеплённые сахара для получения энергии
• Синтез аминокислот — строительных блоков белков
• Синтез витамина B₅, который необходим как для расщепления белков, углеводов и жиров, так и для получения энергии из питательных веществ

По сравнению со всеми другими бактериями в большой библиотеке бактериальных генов Карри, очень немногие — всего 0,2–0,6% — садовых бактерий были вовлечены в расщепление целлюлозы. Вместо этого большинство садовых бактерий участвовали в расщеплении более простых сахаров. Это указывает на то, что, возможно, грибы изначально расщепляют целлюлозу, а бактерии затем превращают полученные частично переваренные сахара в различные питательные вещества, которые могут стимулировать рост грибов или даже питать самих муравьёв.

«Наши результаты показывают, что называть эти сообщества "грибными садами" довольно вводит в заблуждение; "грибково-бактериальные сообщества" было бы гораздо точнее, — сказала Бёрнум. — Бактерии не только являются неотъемлемыми жителями этих сообществ, но и выполняют важнейшие задачи, которые поддерживают жизнь сообществ — и муравьёв, которые помогают их культивировать».

Далее команда планирует проанализировать грибы, липиды и различные метаболические продукты, обнаруженные в садах.

Эти и будущие результаты могут продвинуть работу учёных, которые рассматривают грибные ферменты для производства биотоплива из растений. Ферменты грибов исключительно хорошо расщепляют целлюлозу в растениях, что делает их хорошей моделью для крупномасштабного производства биотоплива.

«Очевидно, что ни грибы, ни бактерии не работают изолированно, когда речь идёт о садах муравьёв-листорезов, — сказала Бёрнум. — Возможно, то же самое относится и к конверсии биомассы; возможно, для эффективного превращения растений в биотопливо необходимы как грибы, так и бактерии».