Как симбиотические бактерии с минимальной генетической информацией поддерживают насекомых-хозяев
Многие насекомые живут в симбиозе с определёнными видами бактерий. Эти бактерии вносят важный вклад в питание, пищеварение, детоксикацию, размножение и защиту своих хозяев. Из-за тесного сосуществования с насекомыми симбионты в ходе коэволюции часто теряют гены, кодирующие метаболические продукты, которые также предоставляются хозяевами. Один из таких примеров — симбионты тростниковых листоедов, которые сохраняют очень маленький геном, содержащий только гены, важные для развития жука.
Интересно, что личинки и взрослые жуки имеют разный рацион: личинки высасывают бедный аминокислотами корневой сок, а взрослые особи питаются листьями и цветами с трудно перевариваемыми клеточными стенками. Симбиотические бактерии поддерживают личинок, производя аминокислоты, тем самым дополняя их диету. Они также помогают взрослым жукам, производя фермент, расщепляющий растительные клеточные стенки. Однако не все симбионты приносят пользу обоим жизненным стадиям.
Различная польза от симбиотических бактерий
Исследование симбионтов тростниковых листоедов, проведённое под руководством Мартина Кальтенпота, показало, что все эти жуки содержат одного и того же симбионта. Однако в некоторых случаях этот симбионт утратил способность производить ферменты для расщепления трудноперевариваемой растительной клеточной стенки. Учёные предположили, что производство этих ферментов полезно только для взрослых жуков.
Исследование опубликовано в журнале EMBO Reports.
«Существует два типа симбиотических ассоциаций у тростниковых листоедов. С одной стороны, есть виды жуков, у которых симбионт приносит пользу обоим жизненным стадиям; с другой — те, у которых только личинки получают прямую пользу от симбионта. Изначально мы хотели понять, подтвердит ли экспрессия генов симбионта эту гипотезу, и будет ли регуляция экспрессии генов симбионта отличаться у видов с одной или двумя выгодами — и, учитывая небольшой общий размер генома, возможна ли вообще такая регуляция», — объясняет первый автор Ана Карвалью.
Активность генов симбионтов тростниковых листоедов адаптирована к потребностям жуков на разных стадиях их развития.
Карвалью и её коллеги использовали RNA sequencing, анализы ферментативной активности и Fluorescence In Situ Hybridization (FISH), чтобы изучить экспрессию генов, пищеварительную активность у жуков и их симбионтов, а также локализацию и форму клеток симбионтов у четырёх видов тростниковых листоедов на разных стадиях развития.
«Мы обнаружили, что симбионт постоянно усиливал экспрессию генов биосинтеза аминокислот на личиночной стадии у четырёх видов тростниковых листоедов. Мы также наблюдали координацию между экспрессией ферментов для переваривания растительных клеточных стенок у хозяина и симбионта на взрослой стадии хозяина, что подчёркивает, как тонкая настройка экспрессии генов симбионта может оптимизировать предоставление пользы», — говорит Карвалью.
Команда не только смогла обнаружить изменённую экспрессию генов на разных стадиях развития жука, но и с помощью методов визуализации продемонстрировала, что симбионт меняет форму своей клетки в течение жизненного цикла. Это может быть связано с изменением его метаболической функции на личиночной и взрослой стадиях жука-хозяина.
Пластичность экспрессии генов даже в изменённых условиях окружающей среды
Поскольку целью исследования было выяснить, может ли симбионт регулировать экспрессию своих генов, несмотря на малый размер генома, команда также изучила возможные различия в реакции на колебания температуры, которые испытывают тростниковые листоеды в течение жизненного цикла. Для этого исследователи подвергали личинок жуков двум различным температурным циклам в течение одного месяца: с колебаниями между 12 °C и 8 °C и между 22 °C и 14 °C соответственно.
Несмотря на сильно редуцированный геном и регуляторный аппарат, проявилась чёткая температурно-зависимая картина экспрессии генов. Симбионт мог активировать разные гены в зависимости от температуры. Например, в холодных условиях симбионт активировал стрессовый механизм, который у свободноживущих бактерий обычно реагирует на тепло, но в данном случае, по-видимому, эволюционировал для реакции на стресс от низких температур.
Исследование отвечает на многие вопросы, но и ставит новые. Какие функции выполняют оставшиеся генетические «переключатели» симбионта (транскрипционные факторы), и как контролируются определённые гены в их отсутствие? Почему симбионты меняют форму и какую пользу это приносит им и их хозяину? Для выяснения этого необходимы дальнейшие эксперименты с тростниковыми листоедами или более удобными для изучения моделями «насекомое-бактерия».
«Наши результаты показывают, что маленькие геномы симбионтов могут регулировать некоторые очень важные процессы, демонстрируя, что регулируемый метаболизм может поддерживаться минимальным набором генов. Теперь мы хотели бы получить более фундаментальное понимание того, как именно работает метаболическая координация между хозяином и симбионтом», — подводит итог Кальтенпот.