Древнее происхождение симбиоза у жуков-листоедов

Ярко окрашенные жуки подсемейства Cassidinae, питающиеся широким спектром растений, обладают мощными метаболическими способностями благодаря бактериям, обитающим в специализированных органах их пищеварительного тракта. Бактерия Stammera производит необходимые ферменты, позволяющие жукам эффективно переваривать компоненты растительной клеточной стенки.

Исследователи из Института биологии Макса Планка в Тюбингене обнаружили древнее происхождение этих специализированных отношений. Они выяснили, что симбиотические жуки-листоеды демонстрируют большее видовое разнообразие, чем их несимбиотические родственники. Результаты, раскрывающие время возникновения симбиоза около 62 миллионов лет назад и его ключевую роль в адаптации, опубликованы в Current Biology.

В таких экосистемах, как тропические леса Панамы, жуки-листоеды представляют собой яркий пример мутуализма, когда два разных вида сотрудничают для адаптации к сложным условиям, разделяя, а не конкурируя за ресурсы. Метаболическая основа взаимодействия — комплементарность симбионта и хозяина, особенно в отношении расщепления растительной клеточной стенки.

Раскрытие симбиотических отношений

В 2017 году было установлено, что первичная функция бактерии — производство ферментов пектиназ, критически важных для переваривания листьев, поскольку у самих жуков нет необходимых для этого энзимов.

Без ферментов, расщепляющих клеточную стенку и предоставляемых Stammera (чей геном сократился до менее 0.3 Мб), физиология пищеварения жука была бы неспособна переваривать растительный материал, лишая его необходимых питательных веществ.

«Они находятся в облигатных отношениях. Бактерии не могут выжить без насекомого, а если мы удалим их из жука, он умрет в течение нескольких дней», — говорит Марлени Гарсия-Лосано, докторант и ведущий автор исследования. Симбиотический микроб Stammera регулирует экспрессию генов, кодирующих пищеварительные ферменты, в соответствии с конкретными потребностями хозяина на разных этапах развития.

Исследователи были удивлены, обнаружив, что не все жуки из клады Cassidinae (около 6000 видов) содержат этот обязательный симбиоз, несмотря на его важную роль в пищеварении и росте.

Исследование показывает, что приобретение Stammera жуками-листоедами произошло в палеоцене, примерно 62 миллиона лет назад. Понимание времени приобретения симбионта подчеркивает исторический контекст, процессы коэволюции и последствия для адаптации, вытекающие из симбиотических партнерств.

«Микробы могут играть огромную роль в нашем изучении того, как животные расселяются в новые среды. Учет метаболического потенциала животных и их микробов имеет решающее значение для целостного изучения адаптации», — отмечает доктор Хассан Салем, руководитель исследовательской группы и старший автор исследования.