Кишечные микробы позволяют кофейному вредителю выдерживать крайне токсичные концентрации кофеина

Кофейный жук-бурильщик — самый разрушительный вредитель кофе в мире. Крошечный жук встречается в большинстве регионов, где выращивают кофе, и крупная вспышка может сократить урожай на 80%.

Этот жук также является кофеиновым "наркоманом". Это единственный вредитель кофе, который использует богатый кофеином боб как единственный источник пищи и убежища. Он проникает внутрь боба и проводит большую часть жизни внутри, где подвергается воздействию дозы кофеина, которая для его массы должна быть крайне токсичной: эквивалент того, что человек весом 150 фунтов выпьет 500 порций эспрессо. Кофеин вреден для большинства насекомых и считается естественным репеллентом. Так как же кофейный жук-бурильщик процветает в такой враждебной среде?

Он полагается на бактерии в своем кишечнике, согласно новому исследованию ученых из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики США, Министерства сельского хозяйства США (USDA) и мексиканского El Colegio de la Frontera Sur (ECOSUR). Их исследование опубликовано 14 июля в журнале Nature Communications.

Ученые обнаружили, что у кофейных жуков-бурильщиков по всему миру в пищеварительном тракте присутствуют 14 видов бактерий, которые расщепляют и детоксифицируют кофеин. Они также выяснили, что у самой распространенной из этих бактерий есть ген, помогающий расщеплять кофеин. Их исследование проливает свет на экологию разрушительного вредителя и может привести к новым способам борьбы с ним.

"Вместо использования пестицидов, возможно, мы могли бы нацелиться на микробиоту кишечника кофейного жука-бурильщика. Мы могли бы разработать способ нарушить работу бактерий и сделать кофеин таким же токсичным для этого вредителя, как и для других насекомых", — говорит Хавьер Сеха-Наварро, ученый из Отдела наук о Земле Berkeley Lab и ведущий автор статьи.

Ученые проанализировали жуков из семи кофепроизводящих регионов: Мексики, Гватемалы, Пуэрто-Рико, Гавайев, Индии, Индонезии и Кении. Они также изучили колонию, выращенную в лаборатории USDA в Белтсвилле, штат Мэриленд. Сеха-Наварро извлек пищеварительные тракты сотен умерших жуков — кропотливый процесс, требующий микро-пинцетов и твердых рук.

Ученые поместили кишечные бактерии в специальную среду, содержащую кофеин в качестве основного питательного вещества, чтобы выжили только бактерии, расщепляющие кофеин. Было выделено 14 видов бактерий, большинство из которых были обнаружены у жуков из всех семи регионов и лабораторной колонии. Эти бактерии, по-видимому, существуют за счет кофеина как единственного источника углерода и азота. Согласно их ДНК-анализу, одной из самых распространенных бактерий оказалась Pseudomonas fulva.

Ученые также проверили бактерии на наличие гена ndmA, который, как известно, преобразует кофеин. Они обнаружили, что только P. fulva обладает этим геном. Сеха-Наварро предполагает, что другие бактерии помогают расщеплять кофеин с помощью разных генов.

Чтобы подтвердить роль P. fulva в расщеплении кофеина, исследователи дали группе жуков антибиотик, который уничтожил их кишечную микробиоту. Затем они кормили этих жуков стандартизированной диетой на основе кофейных зерен и анализировали их фекалии. Кофеин проходил через их пищеварительный тракт в неизменном виде, без признаков расщепления.

Затем ученые добавили P. fulva в рацион жуков, чтобы восстановить в их кишечнике популяцию кофеин-расщепляющей бактерии. Фекалии этих жуков не содержали кофеина, что указывало на восстановление процесса детоксикации.

"После этого мы поняли, что кишечные бактерии являются ключом к стратегии выживания жука и его экологии в целом", — говорит Эойн Броди, старший автор исследования. "Это наглядный пример того, как микроорганизмы, благодаря своим быстрым адаптивным способностям, могут позволить высшим организмам колонизировать новые среды".