Японські біологи вивчили незвичайну симбіотичну систему, яка складається з клопів сімейства Plataspidae і бактерій, що живуть в їхньому кишечнику. Бактерія, що одержала назву Ishikawaella, абсолютно необхідна для нормального розвитку і розмноження цих клопів. Щоб забезпечити своє потомство самка відкладає разом з яйцями особливі капсули, що містять живі бактерії. Еволюція клопів та їх симбіонтів відбувалася синхронно: виникнення нового виду клопа завжди супроводжувалося появою нового різновиду бактерії. Хоча ішікаваелли живуть в порожнині кишечнику, а не всередині клітин, у них виявлені характерні риси внутрішньоклітинних симбіонтів: зменшення геному, перевага в геномі нуклеотидів А і Т, підвищена швидкість молекулярної еволюції.
Клопи сімейства Plataspidae, як з'ясувалося, не можуть жити без особливих симбіотичних бактерій, що мешкають в їх кишечнику - так само як і ці бактерії не уявляють собі життя без клопів. Самка клопа, відкладаючи яйця, в кожну кладку поміщає певну кількість «симбіотичних капсул» - вкритих оболонкою кульок, що містять бактерії-симбіонти у живильному середовищі. Личинки, що вилупилися, в першу чергу поїдають капсули, і бактерії потрапляють в задній відділ середньої кишки.
Після цього відбуваються зовсім дивні речі: середня кишка перетискається посередині, так що передня частина травної системи перетворюється у сліпий мішок, який не має виходу. Їжа перестає надходити в ту частину кишечника, де оселилися бактерії. Харчуються клопи соком рослин, і все з'їдене всмоктується без залишку, а відходи життєдіяльності потім виводяться з порожнини тіла за допомогою особливих органів (мальпігієвих судин) прямо в задню кишку.
Задня частина середньої кишки клопа перетворюється на інкубатор для бактерій. У самок цей відділ кишечника підрозділяється на три частини: у передній живуть бактерії, в середній утворюється поживний «наповнювач» для симбіотичних капсул, а в задній утворюється їх оболонка. У самців два останні відділи відсутні.
Дослідники виявили, що без симбіонтів клопи жити не можуть. Видалення симбіотичних капсул з кладки приводить до різкого збільшення смертності личинок та уповільнення росту. У двох видів клопів (з чотирьох досліджених) всі личинки загинули поголовно. У двох інших видів частина личинок все-таки доросла до дорослої стадії, але отримані клопи відрізнялися дрібними розмірами, блідим забарвленням і були нездатні до спарювання.
Мабуть, бактерії забезпечують клопів необхідними поживними речовинами. Тварини, що харчуються лише одним соком рослин, знаходяться у вкрай скрутному становищі. Адже в їхній їжі практично відсутні жири, білки, амінокислоти і багато інших необхідних речовин. На одних вуглеводах довго не протягнеш. Правда, в рослинному соку є всі елементи, необхідні для синтезу відсутніх речовин, але впоратися з таким складним біохімічним завданням здатні тільки бактерії.
Інші комахи, що харчуються рослинними соками, такі як попелиці, теж мають бактерій-симбіонтів, що передаються вертикально - від матері до дітей. Симбіонт попелиць – бактерія Buchnera, як і багато інших симбіонтів комах, живе не в кишечнику, а всередині особливих клітин - бактеріоцитів, що утворюють спеціальний орган. Головна особливість бактеріальних симбіонтів клопів полягає в тому, що вони живуть не всередині, а поза клітинами господаря.
Дослідники виділили з симбіотичних капсул семи видів клопів молекули ДНК бактерій-симбіонтів і визначили послідовність нуклеотидів в гені рРНК (16S рРНК). Цей ген традиційно використовується для визначення споріднених зв'язків бактерій. Виявилося, що симбіонти клопів відноситься до групи гамма-класифікації, до підгрупи ентеробактерій, тобто кишкових бактерій (сюди ж відноситься кишкова паличка), а найближчим його родичем є та сама бухнера - симбіонт попелиць. Це само по собі досить цікаво, оскільки попелиці та клопи - споріднені групи. Можливо, історія клопино-бактеріального симбіозу дуже древня і сягає корінням у ті далекі часи, коли жили на світі спільні предки попелиць і клопів.
На основі порівняння нуклеотидних послідовностей генів рРНК дослідники побудували еволюційні дерева - окремо для клопів і для їх симбіонтів. Ці дерева виявилися абсолютно однаковими.
Це означає, що еволюція клопів та їх симбіонтів протікала зовсім синхронно: поява нового виду клопа завжди супроводжувалося появою нового різновиду бактерії. Або, можливо, навпаки - зміна бактерії провокувала появу нового виду клопа? Крім того, це означає, що різні види клопів не обмінюються між собою симбіонтами. Останню обставину можна пояснити тільки фізіологічними причинами, тобто тим, що кожен різновид бактерії пристосований тільки до клопів певного виду, і навпаки. Справа в тому, що різні види клопів часто зустрічаються на одній і тій же рослині, і личинки зовсім не застраховані від випадкового поїдання «чужих» капсул. Очевидно, такі помилки погано закінчуються і для клопів, і для бактерій.
Дослідники назвали нову бактерію ішікаваеллою (Ishikawaella) - на честь відомого японського дослідника симбіозу у комах Хаджіме Ішикава (Hajime Ishikawa). Геном бактерії поки не прочитаний, але вдалося визначити його розмір - близько 0,8 млн пар основ. Геноми настільки малого розміру характерні для внутрішньоклітинних симбіонтів. У нормальних кишкових бактерій, таких як кишкова паличка E. coli, геном зазвичай у кілька разів більший.
У ішікаваелли виявлені й інші генетичні особливості, які зближують її з внутрішньоклітинними бактеріями: підвищений вміст нуклеотидів А і Т і прискорені темпи молекулярної еволюції. Всі ці ознаки свідчать про спрощення і деградацію геному. Причину цього зазвичай вбачають в особливостях симбіотичного, особливо внутрішньоклітинного способу життя. Відносна незмінність умов існування і доступність багатьох необхідних речовин (які можна брати у господаря, а не самостійно синтезувати) робить зайвими багато генів.
Строго вертикальна передача бактерій від матері до її дітей, низька чисельність мікробної популяції, часте «пляшкове горлечко» (лише дуже мала частина бактерій може бути передана наступному поколінню комах, причому вірогідність успіху майже не залежить від властивостей конкретної бактерії) - всі ці особливості ішікаваелли ( а також внутрішньоклітинних симбіонтів) знижують ефективність так званого очищаючого (стабілізуючого) відбору, який видаляє з популяції невдалі генетичні варіації і перешкоджає закріпленню всіляких «відхилень від норми».
Слабкістю стабілізуючого відбору зазвичай пояснюють високий темп молекулярної еволюції внутрішньоклітинних бактерій. Тепер стало ясно, що це пояснення може бути застосоване і до деяких кишкових бактерій.
Вивчена японськими дослідниками симбіотична система являє собою виключно зручний об'єкт, що дозволяє без всяких зусиль поставити безліч цікавих експериментів. Наприклад, що буде, якщо бактерій-симбіонтів різних видів клопів поміняти місцями? З'ясувати це простіше простого - досить згодувати личинкам чужі симбіотичні капсули. З внутрішньоклітинними бактеріями, такими як бухнера, провести подібний експеримент вкрай важко або взагалі неможливо. Напевно цей і багато інших експериментів будуть поставлені найближчим часом і ми дізнаємося ще багато захоплюючих подробиць про життя шестиногих симбіотичних «надорганізмів».
За матеріалами plosbiology.org.
