Mikrobiel beboer gør det muligt for biller at fodre på en grøn kost

Et internationalt team, der inkluderer forskere fra Max Planck Institute for Chemical Ecology, har beskrevet en bakterie, der findes i en art af bladbiller, som har en uventet funktion:den giver billen de enzymer, der er nødvendige for at nedbryde visse plantecellevægskomponenter. Bakteriens genom er den mindste, der nogensinde er sekvenseret af nogen organisme, der lever uden for en værtscelle. Den indeholder gener, der er ansvarlige for produktionen af ​​pektinaser, enzymer, der nedbryder pektin, en væsentlig komponent i plantens cellevæg. Produktionen af ​​pektinaser er derfor disse bakteriers primære funktion. Uden bakteriesymbioner kunne billerne ikke få adgang til næringsstofferne inde i plantecellerne og ville derfor ikke kunne overleve. Undersøgelsen er rapporteret i dag i Celle .

"Grundlaget for vores undersøgelse var de histologiske beskrivelser og tegninger af billens symbiotiske organer, der først blev udgivet af den tyske zoolog Hans-Jürgen Stammer for mere end 80 år siden. Vi ville molekylært karakterisere det ekstraordinære partnerskab mellem en bladbille og dens symbionter beskrevet af Stammer som en sjælden ejendommelighed, "første forfatter Hassan Salem, tidligere doktorand ved Max Planck Institute for Chemical Ecology, forklarer. Han er i øjeblikket en Feodor Lynen postdoktor ved Alexander von Humboldt Foundation ved Emory University i Atlanta, Georgien, USA.

Hans-Jürgen Stammer (1899-1968) studerede symbiotiske partnerskaber mellem insekter og bakterier i løbet af 1920'erne og 30'erne. Han fandt ud af, at bladbiller (Chrysomelidae) er berygtede for ikke at deltage i symbiotiske partnerskaber. Imidlertid, hans undersøgelser afslørede også, at der var undtagelser fra dette fund blandt nogle skildpaddebiller, såsom tidselskildpaddebille ( Cassida rubiginosa ). Disse skildpaddebiller er udstyret med usædvanlige organer, som han beskrev i en undersøgelse fra 1936. De symbiotiske bakterier opholder sig i sæklignende reservoirer i billernes tarm. Hunbiller overfører symbionterne gennem vaginale rør til deres afkom ved at anvende en lille symbiontkaplet til hvert æg. De ruvende larver spiser gennem æggeskallen og spiser derefter kapslerne indeholdende de symbiotiske bakterier.

Bladbiller er i stand til at nedbryde komponenter i plantens cellevæg, såsom cellulose og pektin, ved hjælp af fordøjelsesenzymer. Imidlertid, genetisk analyse viste, at tidselskildpaddebille mangler de gener, der er ansvarlige for produktionen af ​​de respektive enzymer (pektinaser). Den nye undersøgelse afslører, at dette underskud kompenseres ved et tæt partnerskab med en bakterie, der findes i særlige organer tæt på billens tarm. For at forstå betydningen af ​​bakteriesymbionterne for billen, forfatterne gennemførte en række bioassays, nogle, der blev kombineret med enzymatiske målinger. "Da vi sammenlignede enzymaktivitet hos skildpadder med og uden symbiotiske bakterier, vi fandt ud af, at biller uden symbionter ikke var i stand til at fordøje pektin for at få adgang til næringsstofferne i cellen, og som en konsekvens faldt deres chancer for overlevelse, "siger Roy Kirsch fra Max Planck Institute for Chemical Ecology.

Genetisk analyse af de symbiotiske bakterier, som forskerne præsenterer som "Candidatus Stammera capleta" i deres nuværende undersøgelse for at ære Stammers observationer, afslørede endnu en overraskelse:Mikroorganismens genom er reduceret til kun et par hundrede gener, blandt dem nogle gener, der regulerer produktionen og transporten af ​​pektinaser. Derfor, genomet er lille:Indeholder kun ~ 270.000 basepar, bakteriens genom er det mindste, der nogensinde er beskrevet for en organisme, der eksisterer uden for en værtscelle. Escherichia coli -bakterier til sammenligning bakterier, der lever inde i tarmen hos mange dyr, herunder mennesker, har 4.600.000, eller 17 gange så mange basepar. Kun nogle bakterier, der er anbragt inde i deres værts celler, vides at have mindre genomer end billesymbionen.

Symbiosen mellem billen og dens symbiont er præget af en klar arbejdsdeling. "Billeværten besidder de gener, der er ansvarlige for at producere cellulaser til fordøjelse af cellulose, der henviser til, at symbionten tilvejebringer pektinaser. Sammen har de de nødvendige enzymer til at nedbryde plantens cellevæg. Især bemærkelsesværdigt er det faktum, at dette er den første beskrivelse af en specialiseret bakteriel symbiont med en primær eller endda eneste funktion dedikeret til nedbrydning af pektin, "Hassan Salem opsummerer.

At der findes mange planteædende dyr i dag, er resultatet af tilpasninger, der udviklede sig over tid. Faktisk, mikroorganismer har spillet en stor rolle i mange sådanne tilpasninger. Tidselskildpaddebille er et imponerende eksempel. Uden pektinaser ville den ikke have adgang til næringsstoffer inde i en plantecelle. Produktionen af ​​disse enzymer er blevet outsourcet til en tjenesteudbyder:en bakterie, der lever i særlige organer tæt på tarmen.

I mange blade billearter, de gener, der aktiverer fordøjelsesenzymer til nedbrydning af plantecellevægge, stammer fra svampe og bakterier og blev indført i genomerne på billernes forfædre via vandret genoverførsel. "Det er fascinerende, at insekter har løst problemet med, hvordan man bryder plantecellevægge så forskelligt. Hvorfor nogle insekter erhvervede gener fra mikrober vandret, mens andre opretholder symbionter til at udføre det samme job, er et interessant spørgsmål, der mangler at blive besvaret i fremtidige undersøgelser, ”siger Martin Kaltenpoth fra University of Mainz.