Жуки используют уникальные «спинные карманы» для защиты бактерий-симбионтов во время метаморфоза

Жуки рода Lagria нуждаются в помощи своих бактериальных симбионтов на протяжении незрелых стадий жизни. Однако сохранить их в одном месте на протяжении всей жизни невозможно, так как жуки — это насекомые с полным превращением (голометаморфозом), чье тело полностью реорганизуется в стадии куколки.

Ученые впервые показали, что жуки эволюционировали гениальное решение этой проблемы: куколки самок хранят своих симбиотических бактерий в специализированных карманах на спине. Когда они превращаются во взрослых особей (имаго), они перемещают бактерий из этих карманов назад, в область гениталий.

«Мы показываем, как насекомое может сохранять полезных микробных партнеров, несмотря на радикальную перестройку структур тела во время метаморфоза», — сказала автор-корреспондент доктор Лаура В. Флорес. — «Модифицируя уникальные "карманы" на спине, жуки Lagria умудряются сохранять своих защитных симбионтов и облегчают их перемещение во время окукливания во вновь образованные органы взрослой особи».

Уникальные «спинные карманы»

Самки многих видов Lagria несут смесь полезных бактерий в своих придаточных железах, расположенных рядом с яйцеводом. Когда самки откладывают яйца, бактерии «выдавливаются» из желез и осаждаются на поверхность яиц. Антибиотики, производимые бактериями, защищают яйца, личинок и куколок жуков от грибков. У одного из изученных видов, L. villosa, основным компонентом симбиотического сообщества является штамм бактерий Burkholderia под названием Lv-StB, который утратил гены и клеточные структуры для подвижности и, вероятно, не может долго существовать вне жука.

Флорес и ее коллеги показали, что у куколок самок L. villosa и L. hirta симбионты в основном живут внутри трех двухлопастных карманов на спине груди (торакса), где, возможно, питаются за счет жука. Такие «спинные карманы» у личинок и куколок неизвестны у других насекомых. У куколок самок симбионты также скапливаются в четвертом месте — между щетинками на задней части головы. Карманы у куколок самцов рудиментарны и содержат мало симбионтов или не содержат их вовсе. У взрослых самок симбионты живут исключительно внутри придаточных желез, которые отсутствуют у самцов.

«Долгий и извилистый путь»

«Симбионты перемещаются с высоко экспонированной поверхности яйца, чтобы колонизировать карманы на спине личинок и куколок. В конечном итоге они оказываются в специализированных железах, связанных с репродуктивной системой взрослых самок», — резюмировала первый автор Ребекка С. Янке.

Но как бактерии колонизируют придаточные железы после окукливания? Чтобы ответить на этот вопрос, авторы рассыпали около 1 миллиона флуоресцентных полистироловых шариков шириной 1,0 мкм по ранним куколкам. Они показали, что после выхода имаго большинство этих шариков оказалось на кончике брюшка. Авторы пришли к выводу, что шарики, как, предположительно, и симбионты, перемещаются к гениталиям за счет трения во время процесса выхода имаго из куколки. Механизм, с помощью которого симбионты затем колонизируют придаточные железы самок, пока неизвестен.

«На взрослой стадии основная цель симбиотических органов, по-видимому, заключается в обеспечении успешной передачи симбионтов на стадию яйца и следующему поколению. Поскольку только самки откладывают яйца, взрослым самцам не нужно нести этих потенциально затратных симбионтов, и они являются тупиком для бактерий», — сказала Флорес.

Соавтор доктор Мартин Кальтенпот добавил: «Чтобы лучше понять, как полезные симбионты передаются и поддерживаются внутри поколений и между ними, нам необходимо определить, какие факторы хозяина и симбионта регулируют установление симбиоза. Например, отбирает ли хозяин определенных симбионтов? И с помощью каких механизмов неподвижные симбионты могут колонизировать симбиотические органы?»