Двойной симбиоз поддерживает формирование кутикулы у жуков-древоточцев
Жуки обычно полагаются на помощь бактериальных партнёров для выживания. Эти симбиозы могут выполнять разные функции. Бактериальные симбионты могут помогать переваривать растительный материал, повышать устойчивость жуков к защитным механизмам растений или поставлять дополнительные питательные вещества в условиях бедных питательными веществами местообитаний. У нескольких видов жуков уже описано, что их бактериальные союзники поставляют важные компоненты для формирования кутикулы — экзоскелета насекомого.
"Исследования важности симбионтов жуков для рециклинга азота и синтеза определённых аминокислот как ключевых компонентов для стабилизации кутикулы — всё ещё молодая область исследований", — говорит Юлиан Кифер из Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце (JGU), первый автор исследования.
Прочная кутикула как ключевая адаптация к неблагоприятным биотическим и абиотическим факторам
Кутикула, твёрдый панцирь, состоящий из сшитых полимеров белка и хитина, является основной защитой насекомых от хищников и патогенов, а также от неблагоприятных абиотических факторов, таких как крайне сухие среды. Предыдущие исследования уже выявили важность специализированного вклада симбионтов в синтез кутикулы жуков и муравьёв. Удаление или ингибирование этих симбионтов уменьшало толщину кутикулы и делало жуков более уязвимыми к высыханию, нападению хищников и патогенов.
Текущая работа была посвящена семейству жуков-точильщиков (Bostrichidae), которое включает виды, питающиеся древесиной и зерном. Из гистологических рисунков, сделанных век назад, было известно, что некоторые виды точильщиков ассоциированы с одним или двумя бактериальными симбионтами, обнаруженными в специфических органах жуков.
Чтобы выяснить, какие важные метаболиты симбионты поставляют жукам, исследовательская группа из Университета Майнца и Института химической экологии Макса Планка в сотрудничестве с партнёрами из Национального института передовых промышленных наук и технологий Японии получила геномные последовательности разных видов жуков семейства точильщиков и их симбиотических бактерий.
"Самая большая сложность для нас заключалась в родах точильщиков с двумя симбионтами. Поскольку они относительно близкородственны, было трудно разделить геномы двух симбионтов. Для этого нам пришлось полагаться на самые современные технологии секвенирования длинными прочтениями без амплификации, чтобы преодолеть эту проблему", — описывает методологический подход руководитель исследования Тобиас Энгл из Института химической экологии Макса Планка.
Результаты показывают, что почти все виды точильщиков ассоциированы с симбиотическими бактериями штамма Shikimatogenerans bostrichidophilus. Этот симбионт был приобретён общим предком всех точильщиков и, вероятно, сохранялся на протяжении всего семейства. Он коэволюционировал с хозяином-жуком для производства предшественников ароматической аминокислоты тирозина. В отличие от этого, второй симбионт, Bostrichicola ureolyticus, вероятно, был приобретён предками только двух подсемейств внутри точильщиков — и утрачен по крайней мере один раз внутри каждого подсемейства. Этот симбионт способен рециклировать азот и производить другую аминокислоту, лизин. Тем самым он поставляет хозяину дополнительные питательные вещества и, предположительно, позволяет ему осваивать новые экологические ниши. Азот является ограниченным и, следовательно, ценным питательным веществом для большинства фитофагов.
Тирозин и лизин имеют особое значение для формирования прочного экзоскелета. Они ответственны за сшивание кутикулы, придавая ей жёсткость, а также за пигменты, которые окрашивают кутикулу и делают её менее проницаемой для воды. Более прочная кутикула лучше защищает жуков от естественных врагов, а также от высыхания в суровых или крайне засушливых местообитаниях.
Древние партнёры — необычные двойные симбиозы
Две обнаруженные симбиотические бактерии у точильщиков представляют собой два наиболее специализированных вида в группе бактерий Bacteroidota, ассоциированных с насекомыми. Родственные члены являются облигатными симбионтами тараканов, цикад, щитовок и мучнистых червецов, но сохранили способность синтезировать более широкий набор питательных веществ. Однако двойной симбиоз, обнаруженный у точильщиков, является необычным по нескольким причинам.
"Двойные симбиозы до сих пор были описаны только у цикад и родственных насекомых. Обычно они включают филогенетически разных микроорганизмов, и второй симбионт обычно заменяет утраченные метаболические возможности более древнего симбионта", — объясняет Мартин Кальтенпот, руководитель отдела симбиоза насекомых Института химической экологии Макса Планка.
В отличие от этого, данное исследование впервые показывает случай двойного симбиоза с близкородственными пищевыми симбионтами в семействе жуков. Здесь жуки, по-видимому, приобрели обоих бактериальных партнёров независимо. Конвергентная эволюция симбиоза с разными бактериями для поставки жизненно важных компонентов для синтеза кутикулы у изученных видов из семейства точильщиков подчёркивает его важность для жуков в целом.
Специфический вклад бактериальных партнёров из этого двойного симбиоза представляет собой видоспецифические адаптации, которые позволили жукам процветать в их соответствующих пищевых нишах.
Исследование опубликовано в журнале The ISME Journal.