Мікробіологія: Класна кімната 2 - Типи мікроорганізмів (січень 2021 р.).

мешканець

Міжнародна команда, до складу якої входять дослідники з Інституту хімічної екології Макса Планка, описала бактерію, яка мешкає в одному вигляді листового жука, який має несподівану характеристику: він забезпечує жука ферментами, необхідними для руйнування певних компонентів клітинної стінки рослини. . Геном бактерії - це найменша з усіх коли-небудь секвенсованих з будь-якого живого організму поза клітиною хазяїна. Він містить гени, які відповідають за вироблення пектиназ, ферментів, що розщеплюють пектин, важливий компонент клітинної стінки рослини. Таким чином, виробництво пектиназ є основною функцією цих бактерій. Без бактеріальних симбіонтів жуки не змогли б отримати доступ до поживних речовин у рослинних клітинах і, отже, не змогли б вижити. Про це дослідження повідомляли сьогодні в Cell.

"Основою нашого дослідження стали гістологічні описи та малюнки симбіотичних органів жука, які вперше були опубліковані німецьким зоологом Гансом-Юргеном Штаммером більше 80 років тому. Ми хотіли молекулярно охарактеризувати надзвичайну зв'язок між жуком листя та його симбіоти, описані Штеммером як рідкісна рідкість ", - пояснює перший автор Хасан Салем, колишній докторант Інституту хімічної екології Макса Планка. В даний час він є докторантом Федора Лінена Фонду Олександра фон Гумбольдта в Університеті Еморі в Атланті, штат Джорджія, США.

Ханс-Юрген Штаммер (1899-1968) вивчав симбіотичні асоціації між комахами та бактеріями протягом 20-30-х рр. Він виявив, що листові жуки (Chrysomelidae) відомі тим, що не беруть участі в симбіотичних асоціаціях. Однак їх дослідження також виявили, що серед цих видів черепахових жуків були винятки з цієї знахідки, такі як жук-черепаха (Cassida rubiginosa). Ці жуки-черепахи оснащені незвичайними органами, які він описав у дослідженні 1936 р. Симбіотичні бактерії мешкають у мішкоподібних відкладах у кишках жуків. Самки жуків передають симбіонтів через вагінальні трубки своїм нащадкам, наносячи невелику таблетку симбіонту на кожне яйце. Личинки вилуплюються з яєчної шкаралупи, а потім споживають капсули, що містять симбіотичні бактерії.

Листяні жуки здатні розщеплювати компоненти клітинної стінки рослин, такі як целюлоза та пектин, за допомогою травних ферментів. Однак генетичний аналіз показав, що у жука-розторопші відсутні гени, які відповідають за вироблення відповідних ферментів (пектиназ). Нове дослідження виявляє, що цей дефіцит компенсується тісною взаємодією з бактерією, яка знаходиться в спеціальних органах поблизу кишечника жука. Щоб зрозуміти важливість бактеріальних симбіонтів для жука, автори провели серію біопроб, деякі з яких поєднали з ферментативними вимірами. "Коли ми порівнювали активність ферментів у черепахових жуків із симбіотичними бактеріями та без них, ми виявили, що жуки без симбіонтів не здатні перетравлювати пектин, щоб отримати доступ до поживних речовин у клітині, і, як наслідок, їх шанси на виживання зменшились", - говорить Рой. Кірш з Інститут хімічної екології Макса Планка.

Генетичний аналіз симбіотичних бактерій, який дослідники представляють як "Candidatus Stammera capleta" у своєму поточному дослідженні на честь спостережень Штаммера, виявив ще одну несподіванку: геном мікроорганізму скорочується до кількох сотень генів, включаючи деякі гени, які регулюють продукцію та транспорт пектиназ . Отже, геном невеликий: він містить лише

270 000 пар основ, геном бактерії є найменшим з усіх коли-небудь описаних для організму, який існує поза клітиною господаря. Бактерії кишкової палички порівняно з бактеріями, що живуть усередині кишечника багатьох тварин, включаючи людей, мають 4600000, або в 17 разів більше пар основ. Відомо, що лише деякі бактерії, що містяться в клітинах своїх господарів, мають менші геноми, ніж симбіот жука.

Симбіоз між жуком та його симбіотом характеризується чітким розподілом праці. "Хазяїн-жук має гени, відповідальні за виробництво целюлаз для перетравлення целюлози, тоді як симбіонт забезпечує пектинази. Разом вони мають ферменти, необхідні для руйнування клітинної стінки рослин. Особливо примітно той факт, що це перший опис бактерії фахівець-симбіонт з основною або навіть унікальною роллю, присвяченою деградації пектину ", резюмує Хасан Салем.

Те, що сьогодні існує багато рослиноїдних тварин, є результатом адаптацій, які еволюціонували з часом. Насправді мікроорганізми відігравали важливу роль у багатьох з цих пристосувань. Жук-черепаха є вражаючим прикладом. Без пектиназ ви не мали б доступу до поживних речовин у клітині рослини. Виробництво цих ферментів було передано підряднику постачальника послуг: бактерії, яка живе в спеціальних органах поблизу вашої кишки.

У багатьох видів листових жуків гени, що активують травні ферменти для деградації клітинних стінок рослин, походять від грибів та бактерій і були введені в геноми предків жуків за допомогою горизонтального переносу генів. "Захоплює те, що комахи вирішили проблему того, як по-різному руйнувати клітинні стінки рослин. Чому деякі комахи отримували гени від мікробів горизонтально, а інші підтримують симбіонти, щоб виконувати ту саму роботу, - це цікаве питання, яке залишається. Давайте відповімо в майбутніх дослідженнях", говорить Мартін Калтенпот з Університету Майнца.