Впервые секвенировали бактерии бабочки на всех стадиях жизни и обнаружили сюрпризы
Впервые команда под руководством Университета Колорадо в Боулдере секвенировала внутренний бактериальный состав трёх основных стадий жизни вида бабочек. Проект показал, что во время метаморфоза происходят неожиданные изменения.
Команда под руководством аспиранта CU-Boulder Тобина Хаммера использовала мощные методы секвенирования ДНК для характеристики бактериальных сообществ, населяющих гусениц, куколок и взрослых особей Heliconius erato (красного почтальона) — обильной тропической бабочки Центральной и Южной Америки.
Результаты показали, что внутреннее бактериальное разнообразие красного почтальона сократилось вдвое при превращении из гусеницы в куколку, а затем удвоилось после превращения куколки во взрослую активную бабочку. Исследование важно, потому что сообщества бактерий, населяющих других насекомых, как было показано, влияют на питание, пищеварение, детоксикацию и защиту хозяина от хищников, паразитов и патогенов.
"Мы увидели, что микробное сообщество упростилось и реорганизовалось во время перехода от гусеницы к куколке. Затем мы увидели, как разнообразие удвоилось после того, как взрослые бабочки появились и начали питаться. Это было для нас немного неожиданно", — сказал Хаммер.
Статья опубликована 23 января в журнале PLOS ONE. Соавторами стали доцент CU-Boulder Ной Фирер и В. Оуэн Макмиллан из Смитсоновского института тропических исследований в Панаме. Бабочек собрали на полевом участке в Гамбоа, Панама, а анализ данных провели в CU-Boulder.
Микробиом — совокупность микроорганизмов на одном животном — стал важным объектом изучения, так как такие бактериальные группы влияют на метаболические и развивающие процессы: от пищеварения и синтеза витаминов до возможных функций мозга. Хаммер отмечает, что если средний человек состоит из ~1 триллиона клеток, то, по оценкам учёных, на каждого из нас приходится ошеломляющие 10 триллионов бактерий — по сути, 10 бактерий на каждую человеческую клетку.
"Бабочки важны экологически и научно, а их превращение из гусеницы в куколку, а затем в крылатую взрослую особь — одно из самых замечательных явлений природного мира. Но почти ничего не было известно о том, какие внутренние микробы у них есть и как они меняются в течение жизненного цикла бабочки", — сказал Хаммер.
Одна из причин изучения микробиома гусениц связана с потенциальным ущербом, который они могут нанести сельскохозяйственным культурам. "Люди начинают рассматривать микробиом насекомых как мишень для борьбы с вредителями, включая инсектициды, поэтому нам нужно знать, какие конкретные бактерии они содержат и как они работают", — сказал Хаммер.
Фирер, также сотрудник Кооперативного института исследований в области наук об окружающей среде (CIRES), рассматривает бабочек как "летающие микробные местообитания".
"Главный вопрос, поднятый этим исследованием, — что эти микробы делают внутри гусениц и бабочек, влияя на их здоровье и поведение. Теперь мы знаем, что драматический сдвиг, происходящий при превращении гусениц в активных бабочек, сопровождается большими изменениями в их микробных сообществах", — сказал Фирер.
Основная мотивация для выбора красного почтальона для исследования заключается в том, что его род — единственный, который питается пыльцой, богатым источником аминокислот. Большинство бабочек питаются нектаром (по сути, сахарной водой), что приводит к сокращению продолжительности жизни до нескольких дней или недель. Но красный почтальон, по-видимому, нашёл способ переваривать и извлекать питательные вещества из пыльцевых зёрен, вероятно, продлевая свою жизнь на несколько месяцев.
"Это уникальная черта этого рода, и её посредником может быть его микробиом", — сказал Хаммер.
Питание пыльцой также, по-видимому, привело к коэволюции между Heliconius и их любимыми цветами, которые производят дополнительную пыльцу и меньше нектара и появляются круглый год, чтобы соответствовать необычно долгой жизни бабочки.
Кроме того, похоже, что гусеницы красного почтальона, которые получают питательные вещества из потребляемых листьев, способны направлять больше ресурсов на производство соединений, токсичных для некоторых хищников. Взрослые бабочки заполнены теми же соединениями, которые выделяют цианид, когда бабочку съедают.
Хаммер собирал бабочек с помощью сачка, добираясь до мест на велосипеде из исследовательской станции. Бабочки, хотя и довольно медленно летают, отмечены специфическими цветовыми узорами, которые сигнализируют хищникам об их токсичности. "Это то, что мы называем процессом 'совместного обучения' — некоторых бабочек неизбежно съедают, прежде чем хищники узнают, что они ядовиты", — сказал он.
Хаммер сравнил секвенирование бактериальной ДНК, ассоциированной с бабочкой, со штрих-кодированием, процессом, используемым для маркировки продуктов в магазине. Используя мощные методы секвенирования генов, команда собрала бактериальную ДНК из отдельных стадий гусеницы, куколки и бабочки красного почтальона, а затем использовала метод штрих-кодирования для идентификации последовательностей бактериальной ДНК.
Исследование также показало, что у диких и содержащихся в неволе бабочек красного почтальона были разные микробиомы, вероятно, из-за разного рациона. Исследование финансировалось CU-Boulder и Национальным научным фондом.