Ett internationellt team med forskare från Max Planck Institute for Chemical Ecology har beskrivit en bakterie som finns i en art av bladbaggar som har en oväntad egenskap:den förser skalbaggen med de enzymer som krävs för att bryta ner vissa växtcellväggskomponenter. Bakteriens genom är det minsta som någonsin sekvenserats av någon organism som lever utanför en värdcell. Den innehåller gener som är ansvariga för produktionen av pektinaser, enzymerna som bryter ner pektin, en väsentlig komponent i växtcellväggen. Produktionen av pektinaser är därför den primära funktionen för dessa bakterier. Utan bakteriella symbionter kunde skalbaggarna inte få tillgång till näringsämnena inuti växtcellerna och skulle därför inte kunna överleva. Studien rapporteras idag i Cell .

"Bergrunden för vår studie var de histologiska beskrivningarna och teckningarna av skalbaggens symbiotiska organ som först publicerades av den tyske zoologen Hans-Jürgen Stammer för mer än 80 år sedan. Vi ville molekylärt karakterisera det extraordinära partnerskapet mellan en bladbagge och dess symbionter. beskrev av Stammer som en sällsynt egenhet, "första författare Hassan Salem, tidigare doktorand vid Max Planck Institute for Chemical Ecology, förklarar. Han är för närvarande en Feodor Lynen postdoktor vid Alexander von Humboldt Foundation vid Emory University i Atlanta, Georgien, USA.

Hans-Jürgen Stammer (1899-1968) studerade symbiotiska partnerskap mellan insekter och bakterier under 1920- och 30-talen. Han fann att bladbaggar (Chrysomelidae) är ökända för att inte delta i symbiotiska partnerskap. Dock, hans studier avslöjade också att det fanns undantag från detta fynd bland vissa sköldpaddsbaggararter, som tistelsköldpadda skalbagge ( Cassida rubiginosa ). Dessa sköldpaddsbaggar är utrustade med ovanliga organ, som han beskrev i en studie från 1936. De symbiotiska bakterierna finns i säckliknande reservoarer i skalbaggarnas tarmar. Skalbaggarhonor överför symbionterna genom vaginalrör till sina avkommor genom att applicera en liten symbiontkaplett på varje ägg. De kläckande larverna äter genom äggskalet och konsumerar sedan kapletterna som innehåller de symbiotiska bakterierna.

Bladbaggar kan bryta ned komponenter i växtens cellvägg, som cellulosa och pektin, med hjälp av matsmältningsenzymer. Dock, genetisk analys visade att tistelsköldpaddsbaggen saknar de gener som är ansvariga för produktionen av respektive enzym (pektinaser). Den nya studien visar att detta underskott kompenseras av ett nära samarbete med en bakterie som finns i speciella organ nära skalbaggens tarm. För att förstå betydelsen av de bakteriella symbionterna för skalbaggen, författarna genomförde en rad bioanalyser, några som kombinerades med enzymatiska mätningar. "När vi jämförde enzymaktivitet i sköldpaddsbaggar med och utan symbiotiska bakterier, vi fann att skalbaggar utan symbionter inte kunde smälta pektin för att få tillgång till näringsämnena i cellen och som en konsekvens minskade deras chanser att överleva, säger Roy Kirsch från Max Planck Institute for Chemical Ecology.

Genetisk analys av de symbiotiska bakterierna som forskarna presenterar som "Candidatus Stammera capleta" i sin aktuella studie för att hedra Stammers observationer avslöjade en annan överraskning:Mikroorganismens genom reduceras till bara några hundra gener, bland dem några gener som reglerar produktionen och transporten av pektinaser. Följaktligen, genomet är litet:Innehåller endast ~270 000 baspar, bakteriens arvsmassa är det minsta som någonsin beskrivits för en organism som finns utanför en värdcell. Escherichia coli bakterier i jämförelse bakterier som lever inuti tarmen hos många djur inklusive människor har 4.600.000, eller 17 gånger så många baspar. Endast vissa bakterier som är inrymda i sina värdceller är kända för att ha mindre genom än skalbaggens symbiont.

Symbiosen mellan skalbaggen och dess symbiont kännetecknas av en tydlig arbetsfördelning. "Beetle-värden har generna som är ansvariga för att producera cellulaser för att smälta cellulosa, medan symbionten tillhandahåller pektinaserna. Tillsammans har de de nödvändiga enzymerna för att bryta ner växtcellväggen. Särskilt anmärkningsvärt är det faktum att detta är den första beskrivningen av en specialiserad bakteriell symbiont med en primär eller till och med enda funktion dedikerad till pektinnedbrytning, " sammanfattar Hassan Salem.

Att många växtätande djur finns idag är resultatet av anpassningar som utvecklats över tiden. Faktiskt, mikroorganismer har spelat en stor roll i många sådana anpassningar. Tistelsköldpaddsbaggen är ett imponerande exempel. Utan pektinaser skulle den inte ha tillgång till näringsämnen inuti en växtcell. Produktionen av dessa enzymer har lagts ut på en tjänsteleverantör:en bakterie som lever i speciella organ nära dess tarm.

Hos många bladbaggararter, generna som aktiverar matsmältningsenzymer för nedbrytning av växternas cellväggar härstammar från svampar och bakterier och fördes in i skalbaggarnas förfäders genom via horisontell genöverföring. "Det är fascinerande att insekter har löst problemet med hur man bryter upp växtcellväggar så olika. Varför vissa insekter förvärvade gener från mikrober horisontellt, medan andra upprätthåller symbionter för att göra samma jobb är en intressant fråga som återstår att besvara i framtida studier, säger Martin Kaltenpoth från University of Mainz.