Специализираната диета на бръмбар до голяма степен се дължи на бактерии, които живеят вътре в насекомото

Бръмбар, който яде листа, е развил симбиотична връзка с бактериите, която позволява на насекомото да разгражда пектин - част от клетъчната стена на растението, която е несмилаема за повечето животни.

бръмбар

Списанието Cell публикува констатациите за новата функция на бактерията, която има изненадващо малък геном - много по-малък от предишните доклади за минималния размер, необходим за организма, който не съществува в клетката гостоприемник.

„Това насекомо е ядещо листа, до голяма степен заради тези бактерии“, казва Хасан Салем, водещ автор на изследването и постдокторант в катедрата по биология на университета Емори. "И бактериите всъщност са се интегрирали в развитието в тялото на насекомото."

Два органа до предните черва на бръмбара Cassida rubiginosa помещават бактериите и изглежда нямат друга функция освен да поддържат тези микроби. „Органите са еквивалентни на черния дроб при хората, в смисъл, че съдържат инструментите за разграждане и преработка на храната“, казва Салем.

Новоохарактеризираната бактерия има само 270 000 двойки ДНК основи в своя геном, в сравнение с милионите, които са по-типични за бактериалните щамове. Това прави генома му по-близък до този на вътреклетъчните бактерии и органели, отколкото до свободно живеещите микроби. Митохондриите, например, органелите, които регулират метаболизма в клетките, имат 100 000 базови двойки.

Салем е изследовател в лабораторията на биолога от Емори Никол Херардо, доцент, който е специалист в еволюционната екология на взаимодействията между насекомите и микробите. Лабораторията съчетава геномни и експериментални подходи, за да научи как както полезните, така и вредните микроби установяват и поддържат взаимоотношения със своите домакини.

Човешките черва съдържат около 10 000 вида бактерии. Тези микробни общности, които могат да бъдат генетично характеризирани като микробиоми, се прехвърлят генеративно, но също така са динамични и реагират на промените в околната среда. Микробиомът на урбаниста например има различни характеристики от този на ловец-събирач.

За разлика от хората, насекомите са склонни да имат специализирана хранителна екология. Те предлагат прости модели за изследване на симбиотични взаимоотношения между микробите и техните домакини.

Салем се очарова от Cassida rubiginosa, по-известен като костенурков бръмбар, докато е аспирант в Института по химическа екология Макс Планк в Йена, Германия. Той прелистваше изданието от 1953 г. на книгата на покойния Пол Бюхнер, немски учен и един от пионерите на систематичните изследвания на симбиозата при насекомите. Бухнер се позовава на статия, публикувана през 1936 г. от един от неговите ученици, Ханс-Юрген Стамер, на Cassida rubiginosa.

„Стамър пише, че за разлика от повечето бръмбари, които ядат листа, които той е изучавал, този има подобни на торбички органи, които никога досега не е виждал и органите са пълни с микроорганизми“, казва Салем, който потърси оригиналната хартия на Стамър в сега неясно списание. "Той не разполагаше с мощните микроскопи, които имаме сега, или технологията за секвениране на генома, така че не беше в състояние да коментира функционалността на мистериозните микроби. В този момент идеята, че микробите могат да направят всичко полезно за животно беше каша наука. "

Заинтригуван от статията, Салем отишъл в близката гора да събере част от листните бръмбари. „За да намерите тези бръмбари, не тръгвайте да ги търсите“, обяснява той. "Отивате да търсите растенията, които ядат."

Костенурният бръмбар се храни с жилавите, бодливи листа на калифорнийския бодил (Asteraceae). Този плодовит плевел расте в голяма част от света и е труден за контрол. „То се появява в много райони, където се отглеждат овце“, казва Салем. "Всъщност това е огромен вредител за новозеландските овцевъди. Колкото повече бодил покрива земеделска земя, толкова по-малко храна трябва да ядат овцете и по-нисък добив. Но бодилът е трудно да се отърве, тъй като корените му са толкова дълбоки . "

Салем последва пътеката на любопитството си към Нова Зеландия, прекарвайки време със земеделски изследовател Майкъл Крипс, който отглежда костенурките бръмбари като модел за биологичен контрол на магарешки бодил. „Капваш 100 бръмбара върху растение от магарешки бодил и насекомите просто ще източат растението метаболитно, докато умре“, обяснява Салем.

Като тревопасно животно, специализирано в яденето на листа, костенурковият бръмбар трябва да консумира големи количества растителни клетъчни стени, направени от трудно смилаеми материали като пектин. Един от най-сложните полизахариди в природата, пектинът е желатиново вещество, което придава на растителните клетъчни стени формата и твърдостта. Докато не беше ясно как бръмбарът се нуждае от хранителни вещества от аминокиселини и витамини от такава диета, Салем подозира, че симбиотичните бактерии играят роля.

Когато се присъединява към лабораторията Gerado в Емори, Салем продължава да изучава костенурковия бръмбар и неговите микроорганизми с помощта на колегата след доктор Айлин Берасатеги, съавтор на Cell paper.

Те използваха технология за секвениране на генома, за да характеризират микроорганизмите като нов вид бактерии. Въпреки малкия си геном, бактерията има силата да разгражда пектина.

"Точно както хищникът на върха има нокти и силни мандибули, за да получи хранителната стойност, от която се нуждае, от плячката си, бактерията има пектин-смилащи гени, които позволяват на бръмбара гостоприемник да деконструира растителна клетка", казва Салем.

След като бактерията разгради пектина, храносмилателната система на бръмбара може след това да получи достъп до всички аминокиселини и витамини в клетките на растението за своите хранителни вещества.

Салем кръщава новата бактерия Candidatus Stammera capleta, след като Ханс-Юрген Стамер, екологът, който я зърна за пръв път и се чудеше за нея преди повече от 80 години.

„Най-удивителното за мен е, че направихме това откритие, защото прочетох наистина стара книга“, казва Салем. "Това говори за значението на природонаучните колекции и библиотеки за старите списания. Ние наистина стоим на раменете на гиганти, разширявайки работата на онези, които са дошли преди нас."