Kutikula kuat kumbang kumbang berkembang dengan penyertaan bakteria simbiotik • Sergey Lysenkov • Berita sains mengenai "Unsur" • Evolusi, Entomologi, Mikrobiologi, Genetik

Kutikula kumbang tahan lama kumbang berkembang dengan penyertaan bakteria simbiotik

Rajah. 1. Kumbang kumbang yang digunakan dalam kajian dan struktur genom bakteria simbiosis genus yang hidup di dalamnya Nardonella. Kebanyakan percubaan dilakukan dengan kumbang. Pachyrhynchys infernalis. Warna yang berbeza menunjukkan fungsi biologi yang dicadangkan bagi gen yang dikesan. Gambar dari artikel dibincangkan diPNAS

Ahli biologi Jepun telah mempelajari simbol kumbang weevil – bakteria nardonell. Seperti yang ternyata, symbionts purba itu kehilangan hampir semua gen, kecuali yang diperlukan untuk mereproduksi sel dan mensintesis tyrosin asid amino. Ia adalah pengeluaran bahan ini, yang diperlukan untuk perkembangan normal kutikula, adalah fungsi utama mereka dalam tubuh kumbang. Sekiranya tiada bilangan bakteria yang mencukupi, kumbang dilahirkan dengan elytra yang tidak terbentuk. Mungkin ia adalah simbiosis ini yang membolehkan kumbang untuk mengembangkan kutikula yang sangat kuat – yang seterusnya dapat menyumbang kepada kejayaan evolusi mereka.

Dalam beberapa dekad kebelakangan ini, semakin banyak data telah mengumpulkan simbol-simbol bakteria memainkan peranan penting dalam pembentukan tanda-tanda organisma multiselular, memenuhi beberapa fungsi yang diperlukan oleh pemilik dan mempengaruhi perkembangan organ-organ dan tingkah laku individu (lihat, sebagai contoh,Bakteria Symbiotik berita kami menggantikan cacing laut dengan organ pencernaan dan kotoran, Elemen, 19 September 2006; Keupayaan aphids untuk menyesuaikan diri dengan turun naik suhu bergantung kepada bakteria simbiotik, Elemen, 13 April 2007; Bakteria usus memengaruhi tingkah laku sosial tikus, "Unsur", 06/21/2016). Banyak symbionts ini tidak dapat wujud secara bebas dan mempermudah genom mereka untuk puluhan dan ratusan juta tahun hidup di dalam tuan rumah mereka. Ternyata, ini adalah "hubungan peralihan" dari organisma hidup bebas kepada organel yang berasal dari symbionts, seperti mitokondria dan kloroplas.

Satu contoh simbiosis seperti itu ialah bakteria. Nardonella dan weevils. The Beetles (Coleoptera) sendiri adalah spesies serangga yang paling melimpah (sejarah yang diketahui sebagai ahli biologi British John Haldane, salah seorang pengarang teori evolusi sintetik, sebagai tindak balas kepada persoalan mengenai apa yang dicipta oleh harta Pencipta yang paling jelas di Alam, berkata "cinta yang luar biasa kumbang"). Dan di kalangan kumbang salah satu yang paling banyak adalah weevils (keluarga Curculionidae). Dengan bilangan spesies, mereka hanya lebih rendah daripada kumbang stafilinid. Tetapi jika kita mengambil kira seluruh superkamar Kurskulionoid (Curculionoidea)yang mana kepunyaan kumbang, ini akan menjadi spesies terkaya kumbang (kira-kira 70,000 spesies yang dijelaskan, dan pada masa yang sama menggambarkan sejumlah besar yang baru setiap tahun!).

Gamma-proteobacterium Symbiotik Nardonella hidup dalam banyak kumbang. Rupa-rupanya, simbiosis ini berasal lebih dari 100 juta tahun yang lalu. Walau bagaimanapun, peranan bakterium ini dalam kehidupan kumbang belum diketahui.

Sekumpulan besar ahli biologi Jepun mengkaji fungsi genom dan biologi nardonella dalam empat spesies kumbang weevil yang tinggal di pulau Okinawa (Rajah 1) dan mendapati bahawa kita mempunyai satu lagi contoh symbiont yang sangat mudah digunakan untuk melaksanakan fungsi host yang diperlukan, iaitu sintesis asid amino tirosin, penting untuk membentuk kutikula yang kuat.

Nardonella hidup dalam larva kumbang dalam organ khusus – bakteria yang terletak di persimpangan usus dan depan tengah, dan pada wanita dewasa – dalam ovari dan berkembang telur (Rajah 2).

Rajah. 2 Kumbang weevil Pachyrhynchys infernalis dan simbiotik bakterinya Nardonella. A – kumbang dewasa, In – Larva, Dengan – disediakan usus kumbang dengan bakteria yang dilekatkan, D – Lobak bakteria terpencil, E – penyetempatan nardonell dalam ovari kumbang betina, F – nardonella dalam sitoplasma bakteria, G – mikrograf elektron sel bakteria di dalam bakteriastruktur bujur dan bulat – kepingan pada sudut yang berbeza). Merah bernoda dengan bakteria rRNA 16S, biru – DNA tuan rumah. Gambar dari artikel dibincangkan di PNAS

Saiz genom nardonell ternyata menjadi salah satu yang terkecil di antara endosymbionts bakteria yang diketahui – dalam strain yang berbeza yang diperoleh daripada kumbang spesies yang berlainan yang ditanam di makmal, ia mempunyai 0.2 hingga 0.23 juta pasangan asas (Rajah 1), dengan anggaran 196-226 bingkai bacaan terbuka pengekodan protein. Di samping kromosom cincin utama dalam simbiosis salah satu spesies kumbang, Sipalinus gigas, juga mendapati plasmid kecil sebanyak 2.1 ribu pasangan asas, yang membawa hanya dua gen. Walaupun saiznya kecil, genom nardonell mengandungi satu set lengkap gen yang bertanggungjawab untuk replikasi, transkripsi dan terjemahan, serta untuk sintesis peptidoglycans yang diperlukan untuk membina dinding sel bakteria. Sebagai tambahan kepada fungsi-fungsi penting ini, satu-satunya jalur biokimia yang lain, yang diwakili sepenuhnya dalam genom symbionts ini, adalah sintesis tirosin.Dalam genom mereka terdapat hanya beberapa gen yang terlibat dalam proses biokimia yang lain.

Oleh itu, nardonella adalah "mesin" yang mereplikasi diri sendiri untuk sintesis tirosin. Ini disahkan oleh eksperimen dengan budaya bakteria (sel bakteria) dari kumbang. Pachyrynchus infernalis (eksperimen berikutnya juga dilakukan dengan nardonella dari kumbang ini) yang ditanam dalam medium dengan glutamin yang dilabel dengan nitrogen radioaktif (asid amino ini digunakan sebagai sumber kumpulan amino untuk sintesis asid amino lain dalam bakteria dan sel-sel kumbang) – kemudian dijumpai hampir secara eksklusif dalam tirosin (Gambar 3). ). Pertumbuhan larva kumbang pada suhu tinggi (30 ° C) hampir membunuh nardonell dalam bakteria – dan mengurangkan penggabungan nitrogen radioaktif ke dalam tirosin. Oleh itu, sintesis asid amino ini pada dasarnya merupakan hasil daripada aktiviti bakteria simbiotik.

Rajah. 3 Bilangan yang tidak boleh ditukar (D), separuh diganti (E) dan diganti (F) asid amino dalam budaya bakteria yang ditanam dalam medium dengan sumber nitrogen radioaktif. Hijau gelap Bilangan asid amino yang mengandungi label radioaktif telah diperhatikan, ia telah disintesis dalam perjalanan eksperimen, dan tidak dalam budaya dari awal lagi. Gambar dari artikel dibincangkan di PNAS

Walau bagaimanapun, pemanasan membunuh bakteria terlalu baik: tidak ada larva yang mengambil bahagian dalam eksperimen ini boleh menjadi dewasa. Oleh itu, lebih jauh, saintis menggunakan cara yang kurang radikal untuk mengurangkan serangan kumbang nardonella. Mereka menambah sejumlah kecil antibiotik rifampicin kepada makanan berasaskan agar-agar. Dalam ketiadaan antibiotik pada makanan ini, kumbang berkembang dengan normal dan bakteria mereka dipenuhi dengan sel symbiont (Rajah 4) – semuanya sama dengan diet topinambur standard. Larva makan antibiotik juga berkembang, tetapi bakteria mereka mengandungi sel-sel bakteria yang jauh lebih sedikit. Menariknya, pada individu pupae dan dewasa, bakteria pulih jumlah mereka – nampaknya, selepas larva berhenti makan sebelum pupation, nardonellas yang masih hidup berlipat ganda dengan kuat. Larva makan antibiotikbertahan lebih baik daripada kawalan – tidak seperti peringkat seterusnya! Mereka lebih besar dan kemudian lebih lama di peringkat pupal – ini menunjukkan bahawa rifampicin pada peringkat awal pembangunan adalah baik untuk kumbang. Penulis menyifatkan ini dengan fakta bahawa dia tidak membenarkan bakteria lain mencemari suapan, yang sering berlaku dalam kawalan.

Rajah. 4 Penindasan antibiotik nardell dalam pepijat. A, Dengan, E – sampel dari larva dalam kumpulan kawalan (yang tidak diberi antibiotik). In, D, F – sampel dari larva, dalam makanan yang menambah antibiotik. A, In – bakteria larva di bawah mikroskop cahaya, biru DNA bakterinya berwarna (dalam kawalan, hampir seluruh sitoplasma sel berwarna biru kerana jumlah besar DNA). C, D – bahagian larva bakteria. E, F – mikrograf elektron bakteria larva (dalam kawalan, hampir seluruh sitoplasma dipenuhi dengan sel bakteria). GSaya – bilangan bakteria (diukur sebagai bilangan salinan gen bakteria groel) dalam larva yang lebih tua (larva matang), pupae (Pupae) dan orang dewasa yang baru menetas (Orang dewasa baru). JL – kepadatan bakteria pada tahap yang sama perkembangan kumbang (diukur sebagai nisbah bilangan salinan gen bakteria groel kepada bilangan salinan gen haiwan EF1a). Gambar dari artikel dibincangkan di PNAS

Mengurangkan bilangan simbiosis bakteria bukan sahaja menyebabkan peningkatan mortaliti di peringkat akhir pembangunan – kumbang dewasa Pachyrhachys infernalisberkembang pada diet dengan antibiotik, mempunyai banyak kelainan dalam perkembangan elytra (Rajah 5). Elytra mereka menjadi merah, cacat, dan lembut (sementara kumbang normal adalah beberapa kumbang yang paling sukar, dalam pengalaman saya sendiri, sukar untuk menembusi mereka dengan pin entomologi). Warna kemerahan juga merupakan bukti kemunduran elytra, sejak dari masa ke masa, kumbang kemerahan secara beransur-ansur berkurang (sementara individu kelahiran merah mempunyai kadar kematian yang meningkat). Pengukuran menunjukkan bahawa, secara bertentangan dengan jangkaan, modulus keanjalan elytra (ukuran kuantitatif kekuatan mereka) tidak berbeza dalam kumbang kawalan dan antibiotik yang memakannya – jadi kelembutan mereka nampaknya dikaitkan dengan ketebalan yang lebih kecil (selepas menetas, elytra menebal, tetapi pada individu dari kumpulan kawalan mencapai ketebalan yang lebih besar). Bersama-sama, data-data ini menunjukkan bahawa kekurangan bakteria simbiotik dalam weevils membawa kepada kemunduran elytra.

Rajah. 5 A – kumbang yang biasanya berkembang Pachyrhunchus infernalis dengan pelapis keras hitam. BD – anomali morfogenetik yang berlaku dalam kumbang, dalam larva yang terdapat sedikit bakteria simbiotik: merah (In), cacat (Dengan) dan lembut (D) elytra. Imej dari artikel dalam perbincangan PNAS

Tyrosine dan derivatifnya DOPA (L-dioxyphenylalanine) memainkan peranan penting dalam sclerotization dan pigmentation elytra (lihat M. Y. Noh et al., 2016. Pembentukan kutikula dan pigmentasi dalam kumbang), mencetuskan lekapan yang sesuai untuk tindak balas biokimia. Dan larva umur akhir yang diberi makan pada makanan yang mengandung antibiotik, serta pupae yang muncul dari mereka, kepekatan bahan-bahan ini dijangka lebih rendah daripada individu kawalan yang mempunyai jumlah bakteria yang mencukupi.

Walau bagaimanapun, walaupun genom nardonella menjadikannya "mesin pengeluaran tyrosine", bakterium ini tidak mempunyai gen enzim yang memangkinkan langkah terakhir dalam sintesis asid amino ini, transaminase tirosin. Para saintis telah mencadangkan bahawa penyempurnaan sintesis dikawal oleh genom kumbang itu sendiri. Mereka mengujinya dengan transkrip untuk kehadiran protein pengekodan RNA yang mampu melaksanakan fungsi ini, yang diketahui dalam serangga lain, transaminase 1 dan 2 glutamat oksaloasetatGOT1 dan GOT2) dan tyrosine-aminotransferase (Tat). Ternyata tiga salinan gen dinyatakan dalam kumbang GOT1 (mereka ditandakan dengan huruf A, In dan Dengan), dua salinan gen GOT2 (A dan In) dan satu salinan gen Tat. RNA enzim terakhir didapati sangat sedikit, tetapi gen RNA GOT1A dan GOT2A ternyata menjadi transkrip utama yang terdapat dalam sel-sel bakteria.

Para saintis menggunakan gangguan RNA, untuk mengekang ekspresi gen dengan menyuntikkan RNA dua stranding ke dalam badan (ini meniru jangkitan virus dan menghidupkan salah satu daripada mekanisme imuniti) untuk memikirkan bagaimana melumpuhkan pepijat gen transaminase. Pengenalan serentak RNA double-stranded GOT1A, GOT2A dan Tat dalam budaya bakteria dapat mengurangkan ekspresi dua gen pertama (ungkapan Tat dan begitu juga sangat rendah – sehingga penurunan potensinya berada di luar skop pengukuran) dan pengeluaran tirosin. Pada masa yang sama, tidak ada kumbang yang tertakluk kepada prosedur yang sama yang ditangkap dari pupa – maksimum, mereka boleh membentuk individu dewasa dengan kutikula yang tidak berselingkuh yang tinggal di dalam cangkang pupa. Walau bagaimanapun, jika gangguan RNA hanya menekan ungkapan gen GOT2A, pepijat itu terselamat, tetapi mereka mempunyai anomali perkembangan yang sama elytra sebagai mereka yang menindas aktiviti simbiosis bakteria.

Oleh itu, weevils menggunakan nardonell untuk menghasilkan tirosin yang mereka perlukan untuk membentuk kutikula, sambil mengekalkan kawalan ke atas proses ini. Gambaran yang serupa diketahui dalam sistem simbiotik yang serupa. Jadi, genom aphids symbiont bakteria Buchnera juga mengandungi gen untuk semua peringkat sintesis dari lima asid amino yang mereka hasilkan, kecuali untuk yang terakhir dikawal oleh genom serangga.

Ada kemungkinan simbiosis dengan nardonella memainkan peranan penting dalam kejayaan evolusi kumbang (ingat bahawa ini adalah spesies kedua keluarga kumbang), kerana kutikula yang sangat kuat melindungi mereka daripada pemangsa, kesan mekanikal dan pengeringan. Kajian baru-baru ini menunjukkan bahawa kutikula kumbang dibezakan oleh bahagian-bahagian eksotik dan endokutrik yang saling berkaitan (lihat penutup badan dan derivatif mereka) – ia menggoda untuk menganggap bahawa symbionts juga bertanggungjawab untuk ini, tetapi setakat ini tiada bukti.

Selama lebih dari 100 juta tahun hidup bersama, nardonella telah kehilangan keupayaan mereka untuk hidup secara bebas: mereka bahkan tidak menjangkiti individu baru, bergerak secara menegak dari ibu kepada keturunan (ini disahkan oleh kebetulan ketat pokok filogenetik dari weevils dan nardonellas – perbezaan garis di beberapa lain-lain).Walau bagaimanapun, penyelewengan sedemikian membawa kepada hakikat bahawa nardonella agak kerap boleh hilang: terdapat banyak kumpulan weevils yang diketahui kehilangan bakteria ini. Ternyata, peralihan kumbang kepada makanan yang kaya dengan tyrosine atau jangkitan dengan bakteria penghasil tirosin lain boleh menyumbang kepada ini (terdapat beberapa dari mereka). Mungkin, versi terakhir berlaku dalam evolusi weevils genus Sitophilusdi mana nardonella digantikan oleh proteinobakteria gamma lain, Sodalis pierantonius. Symbionts ini mempunyai bkira-kiragenom terbesar (4.5 juta pasangan asas), di mana banyak fungsi biologi dikodkan, walaupun mereka menunjukkan tanda-tanda degenerasi: terdapat banyak pseudogenes dan urutan kemasukan dalam genom (lihat unsur-unsur IS). Sodalis pierantonius melakukan pelbagai fungsi dalam pembangunan tuan rumahnya, namun, nampaknya ia adalah sintesis tirosin dan penguatkan kutikula yang dibenarkan bakteria ini untuk menggantikan nardonell dan sekarang ia bergerak sepanjang jalan yang sama dengan penyederhanaan, hanya pada tahap yang lebih awal.

Bakteria Nardonella dan weevils adalah contoh lain tentang seberapa dekat simbiosis, di mana salah satu organisme sebenarnya kehilangan kemerdekaannya.Walau bagaimanapun, hubungan itu menjadi sama: seperti nardonella tidak bertahan di luar kumbang, jadi kumbang tanpa bakteria tidak dapat menyelesaikan pembangunan individu mereka. Sudah tentu, kumbang masih lebih bebas – ini dibuktikan dengan kes-kes kehilangan atau penggantian simbol. Tetapi mereka tidak mungkin akan menyingkirkan mereka sepenuhnya. Sebaliknya, boleh dijangkakan bahawa selepas masa yang lama, nardonella akan kehilangan keupayaan untuk menghasilkan semula secara bebas dan menjadi organel khas.

Sumber: 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. , dan Takeda Fukatsu. Symbiont genom kecil mendasari kekerasan kutikula dalam kumbang // PNAS. 2017. V. 114. P. 8381-8391. DOI: 10.1073 / pnas.1712857114.

Sergey Lysenkov


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

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