Jak symbiotyczne bakterie pomagają chrząszczom?
Większość zwierząt żyje w symbiozie z mikroorganizmami, które często odgrywają kluczową rolę w procesie zapewnienia zdrowia i dobrego samopoczucia gospodarza. Za przykład może posłużyć ludzka flora jelitowa – symbiotyczny układ, w ramach którego bakterie czerpią korzyści ze sprzyjających warunków (idealnej temperatury, dostępności składników odżywczych), z kolei ludzie korzystają z pomocy w trawieniu i wchłanianiu pokarmu. Według najnowszych badań w przypadku chrząszczy symbionty mikrobiologiczne dostarczają aminokwasów aromatycznych - w szczególności prekursorów tyrozyny, które zwiększają ich ochronę przed drapieżnikami, patogenami i wysuszeniem. Jako produkt metabolizmu i składnik białek, tyrozyna jest istotnym elementem procesu melanizacji (opalania) i sklerotyzacji (utwardzania) ochronnego pancerza owadów - oskórka. „Mimo tej świadomości nie wiedzieliśmy, jak powszechne są relacje symbiotyczne wpływające na wytwarzanie tyrozyny, nie znaliśmy ich wpływu na środowisko, historii rozwoju czy systemów regulacji na poziomie molekularnym”, zauważa Martin Kaltenpoth, koordynator projektu SYMBeetle, sfinansowanego ze środków Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych. Zespół projektu SYMBeetle wykazał, że w przypadku wielu gatunków chrząszczy źródłem tyrozyny są żyjące w symbiozie bakterie, a następnie zajął się ich historią ewolucyjną. „Niezwykle wyjątkowym odkryciem było ustalenie, że wiele różnych chrząszczy niezależnie wytworzyło symbiotyczne stosunki z mikroorganizmami, aby mieć dostęp do źródła kluczowego produktu metabolizmu - tyrozyny”, dodaje Kaltenpoth.
Opis symbioz będących źródłem tyrozyny
Zespół przeprowadził badania filogenomiczne chrząszczy i ich symbiontów, aby odkryć historię ewolucji bakterii uzupełniających tyrozynę w przypadku pięciu różnych rodzin chrząszczy. Przeprowadzone badania wykazały, że stosunki te mogą utrzymywać się przez długi okres ewolucji (setki milionów lat), choć mogą także zostać utracone lub zastąpione przez inne symbionty. „Pozyskiwanie symbiontów uzupełniających tyrozynę pokazuje, że są one bardzo ważne dla wielu roślinożernych chrząszczy. Ze względu na fakt, że inne roślinożerne chrząszcze dobrze funkcjonują bez tych symbiontów, potrzebne jest więcej badań w celu ustalenia czynników ekologicznych wpływających na ich rozmieszczenie”, zauważa Kaltenpoth. Inne odkrycie dotyczyło faktu, że symbioza ukierunkowana na wytwarzanie tyrozyny może zostać zaburzona przez powszechnie stosowany środek ochrony roślin - glifosat. Przez swój wpływ na szlak szikimowy środek ten ogranicza enzym odpowiedzialny za wytwarzanie aminokwasów aromatycznych przez rośliny i drobnoustroje. „Biorąc pod uwagę powszechność występowania tego szlaku wśród symbiontów owadów, glifosat może stanowić zagrożenie dla wielu z nich”, dodaje Kaltenpoth. Pozytywny wpływ symbiontów na trawienie zaobserwowany wśród różnorodnych chrząszczy został także opisany dzięki genomicznej analizie zdolności chrząszczy do wytwarzania enzymów trawiennych, które rozkładają ścianę komórkową rośliny. Wyniki wykazały, że enzymy te pojawiły się u chrząszczy w wyniku wielokrotnej ekspozycji na symbionty, a także horyzontalny transfer genów kodujących te enzymy z bakterii i grzybów. Innym kluczowym odkryciem był nowy wewnątrzkomórkowy symbiont występujący w wielu rodzinach chrząszczy i innych rzędach owadów. Podobnie jak symbionty wspomagające trawienie i wytwarzanie tyrozyny, bakteria ta (nazwana przez zespół „Symbiodolus”) jest przekazywana przez matki ich potomstwu, ale wydaje się również z powodzeniem kolonizować nowych gospodarzy. Jej wpływ na stan zdrowia owadów jest obecnie nieznany. „Byliśmy zdumieni, gdy odkrywaliśmy bardzo podobne sekwencje bakterii u wielu różnych owadów, co doprowadziło ostatecznie do tego odkrycia”, zauważa Kaltenpoth.
Wpływ na rolnictwo i medycynę
Poznanie funkcji, znaczenia ekologicznego i historii ewolucyjnej symbiozy chrząszczy i bakterii pozwoliło na poszerzenie wiedzy dotyczącej dywersyfikacji jednej z najlepiej radzących sobie grup organizmów na naszej planecie. Zrozumienie molekularnych podstaw i regulacji interakcji gospodarz-symbiont stanowi źródło wniosków, które mogą przełożyć się na rozwiązania dla medycyny i rolnictwa. Doświadczenia z wykorzystaniem glifosatu stanowią z kolei ostrzeżenie, że jego stosowanie może przyczynić się do spadku liczebności populacji owadów.
Słowa kluczowe
SYMBeetle, mikroorganizm, bakteria, oskórek, chrząszcz, owad, symbioza, symbiont, tyrozyna, środek chwastobójczy, środek ochrony roślin, glifosat