Come i batteri simbiotici hanno aiutato i coleotteri a prosperare
La maggior parte degli animali vive in simbiosi con alcuni microrganismi, una situazione che molto spesso è importante per il benessere dell’ospite. Ad esempio, il microbioma intestinale umano è un sistema simbiotico in cui i batteri beneficiano di un ambiente favorevole (temperatura ideale, apporto di sostanze nutritive, ecc.), mentre gli esseri umani ricevono un aiuto per la digestione e l’assorbimento dei nutrienti. Da studi recenti è emerso che nei coleotteri i simbionti microbici forniscono amminoacidi aromatici (in particolare i precursori della tirosina) che aumentano la protezione contro i predatori, gli agenti patogeni e il disseccamento. La tirosina è un metabolita centrale che, oltre a essere un componente delle proteine, riveste un’importanza particolare per la melanizzazione (iscurimento) e la sclerotizzazione (indurimento) della cuticola, l’armatura protettiva degli insetti. «Tuttavia, non è ancora chiaro quanto siano diffuse queste simbiosi di fornitura di tirosina, quale sia la loro importanza ecologica, la loro storia evolutiva o la loro regolazione molecolare», osserva Martin Kaltenpoth, coordinatore del progetto SYMBeetle, finanziato dal Consiglio europeo della ricerca. SYMBeetle ha dimostrato che in diverse famiglie di coleotteri la tirosina è fornita da simbionti batterici e ne ha chiarito la storia evolutiva. «È stato emozionante scoprire che molti coleotteri diversi hanno acquisito in modo indipendente i simbionti microbici come fonte di questo metabolita chiave, la tirosina», aggiunge Kaltenpoth.
Caratterizzazione delle simbiosi che integrano tirosina
Il team ha condotto studi filogenomici (sia per i coleotteri che per i simbionti) per chiarire la storia evolutiva dei batteri che integrano la tirosina in cinque diverse famiglie di coleotteri. Gli studi hanno dimostrato che questi simbionti possono persistere su lunghe scale evolutive (centinaia di milioni di anni), ma possono anche perdersi o essere sostituiti da altri simbionti. «Le acquisizioni ripetute di simbionti che integrano la tirosina dimostrano che sono molto importanti per molti coleotteri erbivori. Ma poiché altri coleotteri erbivori funzionano bene anche senza di essi, servono ulteriori ricerche per identificare i fattori ecologici che determinano la distribuzione dei simbionti», osserva Kaltenpoth. Si è inoltre scoperto che le simbiosi che integrano la tirosina possono essere alterate dall’erbicida glifosato, ampiamente diffuso. Bersagliando la via dello shikimato, l’erbicida inibisce un enzima responsabile della produzione di amminoacidi aromatici nelle piante e nei microbi. «Considerando la diffusione di questa via tra gli insetti simbionti, molti insetti diversi potrebbero essere sensibili al glifosato», aggiunge Kaltenpoth. Inoltre, il gruppo di ricerca ha definito le caratteristiche dei vantaggi digestivi che i simbionti batterici conferiscono all’eterogenea famiglia di crisomelidi anche analizzando genomicamente la capacità dei coleotteri di produrre enzimi digestivi che scompongono la parete cellulare delle piante. I risultati hanno mostrato chiaramente che questi enzimi si sono formati nei crisomelidi attraverso l’esposizione ripetuta ai simbionti, nonché con il trasferimento genico orizzontale da batteri e funghi dei geni per la codifica di questi enzimi. Un’altra scoperta fondamentale è stata quella di un nuovo simbionte intracellulare in diverse famiglie di coleotteri e altri ordini di insetti. Proprio come i simbionti della tirosina e della digestione, questo batterio (soprannominato Symbiodolus dall’équipe) viene trasmesso dalle madri alla prole, ma sembra anche colonizzare con successo nuovi ospiti, con conseguenze sconosciute per la loro fitness. «Siamo rimasti stupiti dal fatto di aver trovato ripetutamente sequenze batteriche estremamente simili in molti insetti diversi, il che ci ha portato a questa scoperta», osserva Kaltenpoth.
Implicazioni per la medicina e l’agricoltura
La scoperta della funzione, della rilevanza ecologica e della storia evolutiva delle simbiosi tra coleotteri e batteri rivela molte informazioni sulla diversificazione di uno dei gruppi di organismi di maggior successo sul pianeta. Una migliore comprensione delle basi molecolari e della regolazione delle interazioni ospite-simbionte fornisce approfondimenti che, in futuro, potrebbero essere applicati anche alla medicina e all’agricoltura. Nel frattempo, gli esperimenti con il glifosato condotti dall’équipe mettono in guardia che il suo uso può contribuire al declino delle popolazioni di insetti.
Parole chiave
SYMBeetle, microbico, batterio, cuticola, coleottero, insetto, simbiosi, simbionte, tirosina, diserbante, glifosato