Устойчивые к севообороту жуки-корнееды обязаны своим успехом кишечным микробам

Исследователи выяснили, что позволяет некоторым западным кукурузным жукам-корнеедам выживать при севообороте — практике, которая раньше эффективно сдерживала этих вредителей. Разгадка многолетней тайны устойчивости к севообороту во многом кроется в кишечнике жука, сообщает команда.

Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Различия в относительном количестве определенных видов бактерий в кишечнике жука помогают взрослым жукам питаться листьями сои и немного лучше переносить защитные механизмы растения. Это улучшение пищеварения позволяет устойчивым жукам выживать достаточно долго, чтобы отложить яйца в полях сои. Их личинки появляются следующей весной и питаются корнями вновь посаженной кукурузы.

«У этих насекомых только одно поколение в год, — сказал старший научный сотрудник энтомологического отделения Университета Иллинойса Манфредо Зойфферхельд, руководивший исследованием. — И все же примерно за 20 лет в Иллинойсе они стали устойчивы к севообороту. Что позволило им адаптироваться так быстро? Возможно, эти бактерии».

Борьба с корнеедами — дорогостоящая проблема для всех производителей кукурузы на Среднем Западе, сказал соавтор исследования Джозеф Спенсер. Потери урожая, использование инсектицидов и гибридов кукурузы, созданных для производства токсинов против корнеедов, обходятся американским фермерам как минимум в $1 млрд в год.

В исследовании 2012 года Зойфферхельд, Спенсер и их коллеги сообщили, что устойчивые жуки лучше, чем неустойчивые, переносят защитные химические вещества листьев сои. Это позволяло жукам больше питаться и дольше выживать на растениях сои. Исследователи обнаружили, что уровни ключевых пищеварительных ферментов значительно различались, но различия в экспрессии генов, кодирующих эти ферменты, не полностью объясняли преимущество устойчивых жуков. Ученые предположили, что микробы в кишечнике могут помогать им лучше переносить жизнь в поле сои.

Чтобы проверить гипотезу, аспирант Чиа-Чинг Чу проанализировал популяцию микробов в кишечнике жуков, собранных в семи местах на Среднем Западе. Некоторые из этих мест (например, Пайпер-Сити, Иллинойс) являются очагами устойчивости, а другие (например, в Небраске и на северо-западе Миссури) не имеют свидетельств устойчивости.

Чу обнаружил значительные и последовательные различия в относительном количестве различных типов бактерий в кишечнике устойчивых и неустойчивых жуков. Эти различия соответствовали разным уровням активности пищеварительных ферментов и их способности переносить защиту растений сои.

Исследователи также обнаружили другие параллели между составом кишечных микробов и жизненным циклом жуков. Микробная структура кишечника соответствовала уровню активности насекомых (устойчивые жуки обычно более активны), а также — постепенно — разнообразию растений в ландшафтах их обитания. (Устойчивые жуки наиболее многочисленны в регионах, где чередующиеся поля кукурузы и сои являются доминирующими компонентами сельскохозяйственного ландшафта.)

Чтобы определить, действительно ли микробы дают устойчивым жукам преимущество, исследователи обработали жуков антибиотиками. Низкий уровень воздействия не оказал влияния, но при более высоких дозах время выживания устойчивых жуков на листьях сои снизилось до уровня неустойчивых. Антибиотики также снизили активность пищеварительных ферментов в кишечнике устойчивых жуков до уровня их неустойчивых собратьев.

«Микробы кишечника — не просто пассивные жители, — сказал Зойфферхельд. — Они очень активные участники адаптации насекомого. Микробное сообщество действует как универсальный многоклеточный орган».

«Проблема не только в корнееде, — сказал Спенсер. — Существует целый заговор между корнеедом и его сообщниками в кишечнике, которые могут довольно быстро, относительно говоря, реагировать на атаки, с которыми они сталкиваются».