Den robuste kutikula af kvæbeblade udvikler sig med deltagelse af en symbiotisk bakterie • Sergey Lysenkov • Videnskabsnyheder om "Elements" • Evolution, Entomology, Mikrobiologi, Genetik

Vedvarende kutikula af kuglebobler udvikler sig med deltagelse af symbiotiske bakterier

Fig. 1. Weevilbaglerne anvendt i undersøgelsen og genomstrukturen af ​​symbiotiske bakterier af slægten, der lever i dem Nardonella. De fleste eksperimenter blev udført med en bille. Pachyrhynchys infernalis. Forskellige farver angav de påtænkte biologiske funktioner af de detekterede gener. Figur fra den diskuterede artikel iPNAS

Japanske biologer har studeret symbionterne af kvæblerblade – nardonellbakterier. Som det viste sig, mistede disse gamle symboler næsten alle gener, undtagen dem, der er nødvendige for at reproducere celler og syntetisere aminosyre tyrosin. Det er produktionen af ​​dette stof, der er nødvendigt for den normale udvikling af kutiklen, er deres hovedfunktion i billedet af biller. I mangel af et tilstrækkeligt antal bakterier er biller født med underudviklet elytra. Måske var det denne symbiose, der gjorde det muligt for væverne at udvikle en meget stærk kutikula – hvilket igen kunne bidrage til deres evolutionære succes.

I de seneste årtier har flere og flere data akkumuleret, at bakterielle symboler spiller en afgørende rolle i dannelsen af ​​tegn på multicellulære organismer, der opfylder nogle af de funktioner, som ejerne behøver og påvirker udviklingen af ​​individuelle organer og adfærd (se for eksempel,Vores nyheder Symbiotiske bakterier erstattede den marine orm med fordøjelseskanaler og ekskreta, Elements, 19 september 2006; Bladlusens evne til at tilpasse sig temperaturudsving afhænger af symbiotiske bakterier, Elements, 13 april 2007; Tarmbakterier påvirker musens sociale adfærd, "Elements", 06/21/2016). Mange af disse symbionter er ikke i stand til at eksistere uafhængigt og forenkler deres genomer for tiere og hundreder af millioner af liv i deres værter. Tilsyneladende er disse "overgangsforbindelser" fra frie levende organismer til organeller, der stammer fra symbionter, såsom mitokondrier og chloroplaster.

Et eksempel på en sådan symbiose er bakterien. Nardonella og weevils. Beetles (Coleoptera) er i sig selv den mest rigelige art af insekter (kendt historie som den britiske biolog John Haldane, en af ​​forfatterne af den syntetiske evolutionsteori som svar på spørgsmålet om, hvad skabers ejendom klart manifesterede i naturen, sagde det "ekstraordinær kærlighed til biller"). Og blandt bjælkerne er en af ​​de talrige væver (familie Curculionidae). Ved antallet af arter er de ringere end kun for stafilinide biller. Men hvis vi tager højde for hele Kurskulionoid superfamilien (Curculionoidea),som vievils hører til, vil dette være de rigeste arter af biller (ca. 70.000 beskrevne arter og samtidig beskrive et betydeligt antal nye hvert år!).

Symbiotisk gamma-proteobacterium Nardonella bor i mange væv. Tilsyneladende opstod denne symbiose for over 100 millioner år siden. Men denne bakteriers rolle i billedernes liv har endnu ikke været kendt.

En stor gruppe af japanske biologer studerede nardonellas genom og biologiske funktioner i fire arter af svæverbagler, der bor på øen Okinawa (figur 1) og fandt ud af, at vi har et andet eksempel på en superforenklet symbiont, der tjener til at udføre en nødvendig værtsfunktion, nemlig syntesen af ​​aminosyretyrosinet, vigtigt for at danne en stærk cuticle.

Nardonella lever i larverne af biller inde i et specielt organ – et bakteriom placeret ved krydset mellem for- og mellemtarmen og hos voksne kvinder – i æggestokkene og udvikle æg (figur 2).

Fig. 2. Weevil beetle Pachyrhynchys infernalis og hans bakterielle symbiote Nardonella. En – voksenbille den – larve C – forberedt billedtarmen med vedhæftet bakteriom D – isolerede bakteriomlober E – lokalisering af nardonell i æggeblommer i æggestokke F – nardonella i cytoplasma af bakteriocytter G – elektronmikrografi af bakterieceller inde i en bakteriocyt (ovale og runde strukturer – skiver i forskellige vinkler). I rødt farvet med 16S rRNA bakterier, blå – vært DNA Figur fra den diskuterede artikel i PNAS

Størrelsen af ​​nardonell-genomet viste sig at være en af ​​de mindste blandt de kendte bakterielle endosymbioner – i forskellige stammer opnået fra biller af forskellige arter dyrket i laboratoriet havde den fra 0,2 til 0,23 millioner basepar (figur 1) med 196-226 estimeret proteinkodende åbne læserammer. Ud over hovedringskromosomet i symbioter af en af ​​de arter af biller, Sipalinus gigas, fandt også et lille plasmid på 2.1 tusind basepar, der kun bærer to gener. På trods af sin lille størrelse indeholder nardonell-genomet et komplet sæt gener, der er ansvarlige for replikation, transkription og translation, samt til syntesen af ​​peptidoglycaner, der er nødvendige til opbygning af den bakterielle cellevæg. Ud over disse vitale funktioner er den eneste anden biokemiske vej, som er helt repræsenteret i disse symbionts genom, syntesen af ​​tyrosin.I deres genom er der kun få gener involveret i andre biokemiske processer.

Således er nardonella højt specialiserede selvreplikerende "maskiner" til syntese af tyrosin. Dette blev bekræftet ved forsøg med kulturer af bakterieocytter (bakteriomceller) af billebenet. Pachyrynchus infernalis (efterfølgende eksperimenter blev også udført kun med nardoneller fra denne bille) dyrket i et medium med glutamin mærket med radioaktivt nitrogen (denne aminosyre blev anvendt som en kilde til aminogrupper til syntese af andre aminosyrer i bakterier og billeceller) – senere blev det næsten udelukkende fundet i tyrosin (figur 3). ). Voksende larver af biller ved forhøjede temperaturer (30 ° C) næsten fuldstændigt dræbt nardonell i bakterier – og reducerede væsentligt inkorporeringen af ​​radioaktivt nitrogen i tyrosin. Således er syntesen af ​​denne aminosyre grundlæggende et resultat af aktiviteten af ​​symbiotiske bakterier.

Fig. 3. Antallet af uerstattelige (D), semi-udskiftelige (E) og udskiftelige (F) aminosyrer i dyrkning af bakteriocytter dyrket i et medium med en kilde til radioaktivt nitrogen. Mørkegrøn Antallet af aminosyrer indeholdende en radioaktiv mærkning blev noteret, de blev syntetiseret i løbet af eksperimentet og var ikke i kultur fra begyndelsen. Figur fra den diskuterede artikel i PNAS

Imidlertid dræbte opvarmning bakterierne for godt: ingen af ​​larverne, der deltog i dette forsøg, kunne danne sig til en voksen. Derfor brugte forskere endvidere en mindre radikal måde at reducere angreb af nardonella biller på. De tilføjede en lille mængde rifampicin antibiotika til et specielt udviklet agarbaseret foder. I mangel af et antibiotikum på denne mad udviklede sig billerne normalt og deres bakterier blev fyldt med symbiontceller (figur 4) – alt var det samme som på en standard topinambur diæt. Larverne fodret med antibiotika voksede også, men deres bakterier indeholdt betydeligt færre bakterieceller. Interessant nok, i pupperne og de voksne individer, genvandt bakterierne deres tal – tilsyneladende, efter at larverne holdt op med at fodre, før de blev døbt, multiplicerede de overlevende nardonellaer kraftigt. Antibiotisk fodring larveroverlevede bedre end kontrol – i modsætning til de efterfølgende faser! De var større og derefter var længere i puppetrinnet – det tyder på, at rifampicin i de tidlige udviklingsstadier var godt for billerne. Forfatterne tillægger dette til, at han ikke tillod andre bakterier at forurene foderet, hvilket ofte skete i kontrollen.

Fig. 4. Suppression af nardell antibiotika i bugs. En, C, E – prøver fra larver i kontrolgruppen (som ikke fik antibiotika) den, D, F – prøver fra larverne i den mad, der tilsatte et antibiotikum En, den – larver bakterier under et lysmikroskop blå DNA fra bakterier er farvet (i kontrollen er næsten hele cytoplasma af cellerne blå på grund af den store mængde DNA). C, D – Sektioner af bakteriomlarver. E, F – elektronmikrografier af larvalbakteriocytter (i kontrollen er næsten hele cytoplasma fyldt med bakterieceller). Gjeg – Antallet af bakterier (målt som antallet af kopier af bakteriegenet groEL) hos ældre larver (modne larver), pupper (Pupae) og nyklækkede voksne (nye voksne). JL – Tætheden af ​​bakterier i samme udviklingsstadier af boblen (målt som forholdet mellem antallet af kopier af bakteriegenet groEL til antallet af kopier af dyret genet EF1a). Figur fra den diskuterede artikel i PNAS

Reduktion af antallet af bakterie symbionter ledte ikke kun til øget dødelighed i de sene stadier af udvikling – voksne biller Pachyrhachys infernalisvokset op på en diæt med antibiotika, havde mange abnormiteter i udviklingen af ​​elytra (figur 5). Deres elytra blev rødlig, deformeret og blød (mens normale væv er nogle af de hårdeste biller, i min egen erfaring kan det være meget svært at gennembore dem med en entomologisk pin). Den rødlige farve er også tegn på underudviklingen af ​​elytraen, siden de rødlige biller gradvist er blevet svagt (mens de rødfødte individer havde en øget dødelighed). Målinger viste, at i modsætning til forventningerne i modsætning til elitraens elasticitetsmodul (det kvantitative mål af deres styrke) ikke var forskellig i kontrol- og antibiotikabejebendbaglerne – så deres blødhed tilsyneladende var forbundet med en mindre tykkelse (efter udklækning, elytra-tykkelsen, men hos personer fra kontrolgruppe opnår større tykkelse). Sammen viser disse data, at manglen på symbiotiske bakterier i væv fører til underudvikling af elytra.

Fig. 5. En – normalt udviklet bille Pachyrhunchus infernalis med sorte hårfodre. BD – Morfogenetiske anomalier forekommer i biller, i larverne, hvoraf der var få symbiotiske bakterier: rød (den) deformeres (C) og blødt (D) elytra. Billeder fra artiklen i diskussion PNAS

Tyrosin og dets afledte DOPA (L-dioxyphenylalanin) spiller en vigtig rolle i sclerotisering og pigmentering af elytraet (se M. Y. Noh et al., 2016. Kutikeldannelse og pigmentering i biller), der udløser en passende kaskade af biokemiske reaktioner. Og larverne i sen aldre fodret på en antibiotikabeholdende diæt samt de pupper, der opstod fra dem, var koncentrationen af ​​disse stoffer forventet lavere end for kontrolpersoner, som havde et tilstrækkeligt antal bakterier.

Selvom nardonella-genomet gør det muligt at kalde dem "tyrosinproduktionsmaskine", mangler denne bakterie enzymgenerne, der katalyserer det sidste trin i syntesen af ​​denne aminosyre, tyrosintransaminase. Forskere har antydet, at færdiggørelsen af ​​syntesen er styret af genomet af selve billebenet. De testede det med et transkript for tilstedeværelsen af ​​RNA kodende proteiner, der er i stand til at udføre denne funktion, kendt i andre insekter, transaminase 1 og 2 glutamatoxaloacetat (GOT1 og GOT2) og tyrosin-aminotransferase (TAT). Det viste sig, at tre kopier af genet udtrykkes i biller GOT1 (de var mærket med breve En, den og C), to kopier af genet GOT2 (En og den) og en kopi af genet TAT. RNA fra det sidste enzym blev fundet meget små, men RNA-gener GOT1A og GOT2A viste sig for at være de vigtigste transkripter fundet i bakteriomacellerne.

Forskere brugte RNA interferens til at undertrykke genekspression ved at injicere dobbeltstrenget RNA i kroppen (dette efterligner en viral infektion og tænder en af ​​immunitetsmekanismerne) for at finde ud af, hvordan deaktiverer transaminase genbugs. Samtidig indførelse af dobbeltstrenget RNA GOT1A, GOT2A og TAT i bakterien af ​​bakteriocytter reducerede signifikant ekspressionen af ​​de to første gener (ekspression TAT og det var også meget lavt – så meget, at dets potentielle tilbagegang var uden for måleområdet) og tyrosinproduktion. På samme tid kunne ingen af ​​de biller, der var underkastet samme procedure, udklækket fra puppen – maksimalt, de kunne danne et voksen individ med en ikke-sclerotiseret kutikula, der forblev inde i pupas shell. Hvis imidlertid RNA-interferens kun undertrykker genekspression GOT2A, bugsene overlevede, men de havde de samme udviklingsmæssige anomalier af elytra som dem, der undertrykte aktiviteten af ​​bakterielle symbionter.

Således bruger weevils nardonell til at fremstille tyrosinet, som de har brug for til at danne en cuticle, samtidig med at der opretholdes kontrol over denne proces. Et lignende billede er kendt i andre lignende symbiotiske systemer. Så bakteriens symbiont bladrer genom Buchnera indeholder også gener for alle stadier af syntesen af ​​de fem aminosyrer, de producerer, bortset fra de sidste kontrollerede af insektgenomet.

Det er muligt, at symbiose med nardonella spillede en vigtig rolle i vævernes evolutionære succes (husk at dette er den næststørste arter af billefamilie), fordi en meget stærk krybdyr beskytter dem mod rovdyr, mekaniske virkninger og tørring. Nylige undersøgelser har vist, at kvældens kutikula er kendetegnet ved de tæt sammenflettede sektioner af exo- og endokutikum (se kropsdeksler og deres derivater) – det er fristende at antage at symbionter også er ansvarlige for dette, men indtil videre er der ingen beviser.

I mere end 100 millioner år sammen boede nardonella deres evne til at leve uafhængigt: de inficerer ikke engang nye individer, der bevæger sig lodret fra moder til efterkommere (dette bekræftes af den strenge tilfældighed af fylogenetiske træer af væv og nardonellaer – afvigelsen af ​​linjerne i nogle falder sammen med andet).En sådan overforenkling fører imidlertid til, at nardonella relativt ofte kan gå tabt: der er mange grupper af væv, der vides at være berøvet disse bakterier. Tilsyneladende kan overgangen af ​​biller til fødevarer rig på tyrosin eller infektion med andre tyrosinproducerende bakterier bidrage til dette (der er ganske få af dem). Sandsynligvis er den sidste version sket i udviklingen af ​​slægter af slægten Sitophilusi hvilken nardonella erstattes af andre gamma proteobakterier, Sodalis pierantonius. Disse symbionter besidder bcirkadet største genom (4,5 millioner basepar), hvor mange biologiske funktioner er kodet, selv om de viser tegn på degeneration: der er mange pseudogener og indsættelsessekvenser i genomet (se IS-elementer). Sodalis pierantonius udfører mange funktioner i udviklingen af ​​dens vært, men tilsyneladende er det syntesen af ​​tyrosin, og konsolideringen af ​​kutiklet tillod denne bakterie at erstatte nardonellu, og nu bevæger den sig på samme måde for forenkling, kun på et tidligere stadium.

bakterier Nardonella og weevils er et andet eksempel på hvor tæt en symbiose kan være, hvor en af ​​organismerne faktisk taber sin uafhængighed.Forholdet viser sig imidlertid at være gensidig: da nardonella ikke overlever uden for billedet, så kan billerne uden bakterier ikke fuldføre deres individuelle udvikling. Selvfølgelig er biller stadig mere uafhængige – det ses af tilfælde af tab eller udskiftning af symbionter. Men de er usandsynligt, at de aldrig bliver helt af med dem. Det kan snarere forventes, at nardonellaen efter en længere tid vil miste evnen til at reproducere selvstændigt og blive særlige organeller.

Kilde af: Hisashi Anbutsu, Minoru Moriyama, Naruo Nikoh, Takahiro Hosokawa, Ryo Futahashi, Masahiko Tanahashi, Xian-Ying Meng, Takashi Kuriwada, Naoki Mori, Kenshiro Oshima, Masahira Hattori, Manabu Fujie, H. , og Takema Fukatsu. Små genom-symbiont ligger under knoglehårdhed i biller // PNAS. 2017. V. 114. P. 8381-8391. DOI: 10.1073 / pnas.1712857114.

Sergey Lysenkov


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: