Симбиотическая бактерия позволяет жукам питаться листьями

Международная команда, включая исследователей из Института химической экологии Макса Планка, описала бактерию, обитающую у одного вида листоедов, которая обладает неожиданной функцией: она снабжает жука ферментами, необходимыми для расщепления определенных компонентов растительной клеточной стенки. Геном этой бактерии — самый маленький из когда-либо секвенированных для любого организма, живущего вне клетки хозяина. Он содержит гены, ответственные за производство пектиназ — ферментов, расщепляющих пектин, важный компонент клеточной стенки растений. Таким образом, производство пектиназ является основной функцией этих бактерий. Без симбионтов жуки не могли бы получить доступ к питательным веществам внутри растительных клеток и, следовательно, не смогли бы выжить. Исследование опубликовано сегодня в журнале Cell.

Основой исследования стали гистологические описания и рисунки симбиотических органов жука, впервые опубликованные немецким зоологом Хансом-Юргеном Штаммером более 80 лет назад. Учёные хотели молекулярно охарактеризовать необычное партнёрство между листоедом и его симбионтами, которое Штаммер описал как редкую особенность.

Ханс-Юрген Штаммер (1899–1968) изучал симбиотические партнёрства насекомых и бактерий в 1920-х и 30-х годах. Он обнаружил, что листоеды (Chrysomelidae) печально известны отсутствием симбиотических партнёрств. Однако его исследования также выявили исключения среди некоторых видов щитоносок, таких как щитоноска чертополоховая (Cassida rubiginosa). У этих жуков есть необычные органы, которые он описал в 1936 году. Симбиотические бактерии обитают в мешковидных резервуарах в кишечнике жуков. Самки передают симбионтов своему потомству через вагинальные трубки, прикрепляя к каждому яйцу крошечную капсулу с бактериями. Вылупившиеся личинки прогрызают оболочку яйца и затем поедают эти капсулы.

Листоеды способны расщеплять компоненты растительной клеточной стенки, такие как целлюлоза и пектин, с помощью пищеварительных ферментов. Однако генетический анализ показал, что у щитоноски чертополоховой отсутствуют гены, ответственные за производство соответствующих ферментов (пектиназ). Новое исследование показывает, что этот дефицит компенсируется тесным партнёрством с бактерией, обитающей в специальных органах рядом с кишечником жука. Чтобы понять важность бактериальных симбионтов для жука, авторы провели ряд биологических тестов, некоторые из которых сочетались с ферментативными измерениями. Сравнение ферментативной активности у жуков с симбионтами и без них показало, что жуки без симбионтов не могли переваривать пектин, чтобы получить доступ к питательным веществам в клетке, и, как следствие, их шансы на выживание снижались.

Генетический анализ симбиотических бактерий, которые исследователи назвали "Candidatus Stammera capleta" в честь наблюдений Штаммера, выявил ещё один сюрприз: геном микроорганизма сокращен до всего нескольких сотен генов, среди которых есть гены, регулирующие производство и транспорт пектиназ. Соответственно, геном крошечный: содержа всего ~270 000 пар оснований, он является самым маленьким из описанных для организма, существующего вне клетки хозяина. Для сравнения, бактерии Escherichia coli, живущие в кишечнике многих животных, включая человека, имеют 4 600 000 пар оснований — в 17 раз больше. Лишь некоторые бактерии, обитающие внутри клеток своих хозяев, имеют геномы меньше, чем у этого симбионта жука.

Симбиоз между жуком и его симбионтом характеризуется чётким разделением труда. Хозяин-жук обладает генами, ответственными за производство целлюлаз для переваривания целлюлозы, тогда как симбионт поставляет пектиназы. Вместе у них есть необходимые ферменты для разрушения растительной клеточной стенки. Особенно примечательно, что это первое описание специализированного бактериального симбионта, чья основная или даже единственная функция посвящена деградации пектина.

Тот факт, что сегодня существует множество травоядных животных, является результатом адаптаций, развивавшихся с течением времени. Микроорганизмы сыграли в этом важную роль. Щитоноска чертополоховая — впечатляющий пример. Без пектиназ у неё не было бы доступа к питательным веществам внутри растительной клетки. Производство этих ферментов было передано на аутсорсинг «поставщику услуг» — бактерии, живущей в специальных органах рядом с её кишечником.

У многих видов листоедов гены, активирующие пищеварительные ферменты для деградации клеточных стенок растений, произошли от грибов и бактерий и были внедрены в геномы предков жуков посредством горизонтального переноса генов. Интересно, что насекомые по-разному решили проблему разрушения растительных клеточных стенок. Почему одни насекомые приобрели гены от микробов горизонтально, а другие поддерживают симбионтов для выполнения той же работы — интересный вопрос, на который ещё предстоит ответить в будущих исследованиях.