UC San Diego Center for Microbiome Innovation (CMI)-onderzoekers en collega's aan de oostkust hebben voor het eerst het aantal bacteriën in de ingewanden van een breed scala aan mierensoorten in het Amazone-regenwoud gekwantificeerd. Ze ontdekten dat de voornamelijk herbivore mieren die in het bladerdak leven, orden van grootte meer bacteriën hebben dan die op de grond. Het werk heeft implicaties voor de manier waarop microbioomstudies worden uitgevoerd. De auteurs publiceerden de studie op 27 juli in Integratieve en vergelijkende biologie .

Toen tropische entomologen begonnen met systematisch onderzoek naar de biomassa van geleedpotigen in regenwoudluifels, ze waren verrast toen ze ontdekten dat mieren de meerderheid vormden. Het probleem concentreerde zich rond een schijnbare omkering van de klassieke biomassapiramide van het terrestrische ecosysteem:mieren werden verondersteld roofdieren te zijn, toch waren ze groter dan hun potentiële prooi.

Deze "paradox" van biomassa werd gedeeltelijk opgelost in 2003 toen wetenschappers bewijs vonden dat de meeste mieren die in het bladerdak van het regenwoud leven herbivoren zijn die zich voeden met van planten afgeleide vloeistoffen zoals sap en nectar - maar dat leverde een ander dilemma op:stikstof, een noodzakelijke biologische voedingsstof, is beperkt in deze middelen. Hoe komen deze plantenetende bladermieren aan voldoende stikstof om hun kolonies te laten groeien?

"Het is bekend dat insecten met een onevenwichtige voeding vaak afhankelijk zijn van bacteriële symbiose om hun voedingsbehoeften aan te vullen, " zei Jon Sanders, de hoofdauteur van de paper en postdoc in het laboratorium van CMI-faculteitsdirecteur Rob Knight, die zich in de UC San Diego School of Medicine bevindt. In feite, de Blochmannia-bacteriën van de timmermier behoorden tot de eerste bacteriën waarvan werd ontdekt dat ze een symbiotische relatie hadden met hun gastheer, en een rol lijken te spelen bij het opwaarderen of recyclen van stikstof, zei Sanders.

"100 jaar na deze ontdekking, er werd gevonden dat gespecialiseerde extracellulaire bacteriën de morfologisch ontwikkelde ingewanden van het boomsoort Cephalotes uit de nieuwe wereld bewonen - algemene naam 'schildpadmieren', ook onlangs beroemd geworden om hun glijvermogen, " zei Sander, die in 2014 een paper publiceerde over de evolutie van deze bacteriën. "We weten dat ze er zijn - dat concept is niet nieuw."

Maar wat nieuw is, is de manier waarop dit onderzoek is uitgevoerd – met behulp van kwantitatieve, in plaats van kwalitatief, methoden om te begrijpen hoeveel er zijn, en de biologische betekenis van hun aanwezigheid.

De huidige sequencing-technieken beginnen bijna altijd met een amplificatiestap waarbij het originele template-DNA vele malen wordt gekopieerd. De resulterende bibliotheken bevatten bijna geen informatie over het aantal bacteriën dat om te beginnen aanwezig was.

"De amplificatiestap kan onderhevig zijn aan besmetting, vooral voor monsters zoals mieren die zeer lage DNA-concentraties hebben, " zei Sanders. "Zelfs bij afwezigheid van besmetting, de biologische implicaties van bacteriële gemeenschappen met een zeer lage dichtheid zijn waarschijnlijk aanzienlijk anders dan voor symbionten met een hoge dichtheid. Zonder aanvullende informatie over absolute overvloed, het kan moeilijk zijn om zinvolle biologische conclusies te trekken uit diversiteit."

Sanders en zijn team gebruikten twee onafhankelijke methoden:kwantitatieve PCR (qPCR) en fluorescentiemicroscopie, wat inhield dat een microscoop van 60 pond door de Amazone werd gedragen - om de absolute overvloed aan bacteriële cellen te beoordelen.

Wat ze ontdekten was verrassend:de plantenetende mieren die in het bladerdak leven, hebben drie tot vier orden van grootte meer bacteriën in hun darm dan op de grond levende mieren.

Geschaald naar menselijke maat, dat is ongeveer de grootte van een fles frisdrank van twee liter. Ter vergelijking, op de grond levende mieren bevatten genoeg bacteriën om de grootte van een geroosterde koffieboon te evenaren.

"Dit geeft aan dat ze een belangrijke rol spelen, "zei Sanders. "Vermoedelijk te maken met het in stand houden van grote nutriëntenstromen."

Vreemd, echter, de onderzoekers zagen niet dezelfde bacteriën aanwezig in elke herbivore geslachten - dus waarom hebben in het bladerdak levende mieren zoveel bacteriën in hun ingewanden nodig, en waarom lijkt het niet uit te maken welke? En hoe zijn die relaties ontstaan? De wetenschap zal het leren, zegt Sanders.

"We denken meestal aan een microbioom als iets dat een dier heeft, " zei Sanders. "Maar ik denk dat we leren dat wat het betekent om een ​​microbioom te hebben categorisch verschilt tussen dieren, en dat absolute overvloedgegevens nodig zijn om de biologische betekenis ervan te begrijpen."