Уникальный механизм приобретения симбионтов у клопов-вредителей
Исследователи под руководством Ёситомо Кикучи показали, что клопы-вредители избирательно захватывают в свой симбиотический орган только специфическую симбиотическую бактерию среди множества бактерий, попадающих с пищей. Это происходит благодаря узкому сегменту (констрикционной области) в их желудочно-кишечном тракте.
Результаты впервые раскрывают уникальный механизм приобретения специфических симбиотических бактерий, характерный для разнообразных клопов-вредителей. Это открытие может привести к разработке нового метода контроля вредителей через ингибирование установления кишечного симбиоза.
Публикация ожидается 1 сентября 2015 года в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Роль симбиоза у вредителей
Практически все насекомые-вредители (сельскохозяйственные, санитарные, домовые) имеют в организме симбиотические бактерии. Эти бактерии поставляют необходимые для роста и размножения питательные вещества и/или помогают переваривать пищу. Симбионты являются потенциальной новой мишенью для контроля вредителей.
Клопы (Hemiptera: Heteroneura) — серьезные сельскохозяйственные вредители, повреждающие рис, сою и другие культуры. Известно более 40 000 видов в мире и около 1500 в Японии. Многие сосущие растительные соки клопы содержат в кишечнике симбиотические бактерии, которые играют ключевую роль в снабжении питательными веществами, адаптации к растениям-хозяевам и устойчивости к инсектицидам. Однако механизм установления этого специфического симбиоза был плохо изучен.
Модельный объект: клоп Riptortus pedestris
Национальный институт AIST обнаружил, что у клопа Riptortus pedestris (вредитель сои) существует уникальная система кишечного симбиоза. В отличие от большинства насекомых, где симбионты передаются напрямую от матери к потомству, у этого клопа симбиотические отношения заново устанавливаются в каждом поколении: нимфы перорально заглатывают из почвы симбиотические бактерии рода Burkholderia. Поскольку Burkholderia легко культивировать и генетически модифицировать, они стали удобной моделью для изучения симбиоза.
Функция «констрикционной области»
У клопа в задней половине средней кишки находится симбиотический орган — множество мешковидных структур, где колонизируются Burkholderia. Непосредственно перед этим органом кишечник резко сужается, образуя «констрикционную область» (Рис. 1).
- Селективный барьер для пищи: Эксперименты с пищевыми красителями показали, что краситель, достигнув констрикционной области, никогда не проникает дальше в симбиотический орган (Рис. 2). Это указывает на крайне ограниченный приток пищи через этот участок.
- Селективный пропуск симбионтов: При скармливании нимфам одновременно красителя и Burkholderia, меченных зеленым флуоресцентным белком (GFP), краситель останавливался в констрикционной области, а Burkholderia проходили через нее и заселяли симбиотический орган (Рис. 3A).
- Избирательность среди бактерий: В опыте с GFP-меченными Burkholderia и RFP-меченными E. coli, E. coli задерживались в констрикционной области, а Burkholderia проходили (Рис. 3B). Другие типичные почвенные бактерии (Pseudomonas putida, Bacillus subtilis) также не могли инфицировать симбиотический орган.
Вывод: У клопа существует сложный механизм просеивания бактерий в ЖКТ, который избирательно пропускает только симбионтов, ограничивая приток других веществ.
Две функциональные части кишечника
Пищевые красители обнаруживались в мальпигиевых сосудах и фекалиях. Это означает, что все переваривание и всасывание пищи завершается до констрикционной области. Таким образом, кишечник клопа функционально разделен на:
- Переднюю часть (для переваривания и всасывания пищи).
- Заднюю часть (для размещения симбиотических бактерий).
Такое разделение, вероятно, связано с питанием клопов легко усваиваемым растительным соком.
Механизм прохождения симбионтов
Скрининг мутантных штаммов Burkholderia (с вставками транспозона) показал, что неподвижные штаммы с поврежденными генами формирования жгутиков не могли пройти через констрикционную область. Это свидетельствует, что Burkholderia преодолевают этот барьер с помощью жгутиковой подвижности.
Общий механизм для разных видов клопов
Наблюдение за желудочно-кишечным трактом клопов из разных таксономических групп показало, что констрикционная область присутствует у всех изученных видов. Во всех случаях пищевой краситель останавливался в этой области и не попадал в симбиотический орган (Рис. 4). Это указывает, что описанный механизм селективного приобретения симбионтов является общей чертой для разнообразных видов клопов.
Перспективы исследований
- Фундаментальные: Планируется анализ экспрессируемых генов и белков в констрикционной области у Riptortus pedestris, чтобы раскрыть генетическую основу селекции симбионтов.
- Прикладные: Поскольку механизм селекции симбионтов через констрикционную область распространен среди клопов-вредителей, его детальное изучение может привести к разработке новой технологии контроля вредителей, направленной на предотвращение заражения и колонизации симбиотическими бактериями.