Een internationaal team, waaronder onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Chemische Ecologie, heeft een bacterie beschreven die in een soort bladkevers leeft en die een onverwachte eigenschap heeft:hij voorziet de kever van de enzymen die nodig zijn om bepaalde celwandcomponenten van planten af ​​te breken. Het genoom van de bacterie is het kleinste ooit gesequenced van een organisme dat buiten een gastheercel leeft. Het bevat genen die verantwoordelijk zijn voor de productie van pectinasen, de enzymen die pectine afbreken, een essentieel onderdeel van de plantencelwand. De productie van pectinasen is daarom de primaire functie van deze bacteriën. Zonder bacteriële symbionten zouden de kevers geen toegang kunnen krijgen tot de voedingsstoffen in de plantencellen en daarom niet kunnen overleven. De studie wordt vandaag gerapporteerd in Cel .

"De basis van onze studie waren de histologische beschrijvingen en tekeningen van de symbiotische organen van de kever die meer dan 80 jaar geleden voor het eerst werden gepubliceerd door de Duitse zoöloog Hans-Jürgen Stammer. We wilden de buitengewone samenwerking tussen een bladkever en zijn symbionten moleculair karakteriseren beschreven door Stammer als een zeldzame eigenaardigheid, " eerste auteur Hassan Salem, voorheen een doctoraatsstudent aan het Max Planck Instituut voor Chemische Ecologie, verklaart. Hij is momenteel een Feodor Lynen Postdoctoral Fellow van de Alexander von Humboldt Foundation aan de Emory University in Atlanta, Georgië, VS.

Hans-Jürgen Stammer (1899-1968) bestudeerde in de jaren twintig en dertig symbiotische partnerschappen tussen insecten en bacteriën. Hij ontdekte dat bladkevers (Chrysomelidae) berucht zijn omdat ze niet deelnemen aan symbiotische partnerschappen. Echter, zijn studies onthulden ook dat er uitzonderingen waren op deze bevinding bij sommige soorten schildpadkever, zoals de distelschildpadkever ( Cassida rubiginosa ). Deze schildpadkevers zijn uitgerust met ongewone orgels, die hij beschreef in een studie uit 1936. De symbiotische bacteriën bevinden zich in zakachtige reservoirs in de ingewanden van de kevers. Vrouwelijke kevers brengen de symbionten via vaginale buizen over naar hun nakomelingen door een klein symbiontenkapje op elk ei aan te brengen. De uitgekomen larven eten door de eischaal en consumeren vervolgens de caplets die de symbiotische bacteriën bevatten.

Bladkevers zijn in staat componenten van de plantencelwand af te breken, zoals cellulose en pectine, met behulp van spijsverteringsenzymen. Echter, genetische analyse toonde aan dat de distelschildpadkever de genen mist die verantwoordelijk zijn voor de productie van de respectieve enzymen (pectinasen). De nieuwe studie laat zien dat dit tekort wordt gecompenseerd door een nauwe samenwerking met een bacterie die zich in speciale organen dicht bij de darm van de kever bevindt. Om het belang van de bacteriële symbionten voor de kever te begrijpen, de auteurs voerden een reeks bioassays uit, sommige die werden gecombineerd met enzymatische metingen. "Toen we de enzymactiviteit vergeleken bij schildpadkevers met en zonder symbiotische bacteriën, we ontdekten dat kevers zonder symbionten pectine niet konden verteren om toegang te krijgen tot de voedingsstoffen in de cel en als gevolg daarvan namen hun overlevingskansen af, ", zegt Roy Kirsch van het Max Planck Instituut voor Chemische Ecologie.

Genetische analyse van de symbiotische bacteriën die de onderzoekers presenteren als "Candidatus Stammera capleta" in hun huidige onderzoek om de observaties van Stammer te eren, bracht nog een verrassing aan het licht:het genoom van het micro-organisme is teruggebracht tot slechts een paar honderd genen, waaronder enkele genen die de productie en het transport van pectinasen reguleren. Overeenkomstig, het genoom is klein:bevat slechts ~270.000 basenparen, het genoom van de bacterie is het kleinste dat ooit is beschreven voor een organisme dat buiten een gastheercel bestaat. Escherichia coli-bacteriën in vergelijking Bacteriën die in de darm van veel dieren leven, inclusief mensen, hebben 4.600.000, of 17 keer zoveel basenparen. Van slechts enkele bacteriën die zich in de cellen van hun gastheer bevinden, is bekend dat ze kleinere genomen hebben dan de keversymbiont.

De symbiose tussen de kever en zijn symbiont wordt gekenmerkt door een duidelijke taakverdeling. "De kevergastheer bezit de genen die verantwoordelijk zijn voor het produceren van cellulasen om cellulose te verteren, terwijl de symbiont de pectinasen levert. Samen hebben ze de nodige enzymen om de plantencelwand af te breken. Bijzonder opmerkelijk is het feit dat dit de eerste beschrijving is van een gespecialiseerde bacteriële symbiont met een primaire of zelfs enige functie gewijd aan de afbraak van pectine, ’ vat Hassan Salem samen.

Dat er tegenwoordig veel plantenetende dieren bestaan, is het resultaat van aanpassingen die zich in de loop van de tijd hebben ontwikkeld. In feite, micro-organismen hebben een belangrijke rol gespeeld in veel van dergelijke aanpassingen. De distelschildpadkever is een indrukwekkend voorbeeld. Zonder pectinasen zou het geen toegang hebben tot voedingsstoffen in een plantencel. De productie van deze enzymen is uitbesteed aan een dienstverlener:een bacterie die in speciale organen in de buurt van zijn darm leeft.

Bij veel bladkeversoorten, de genen die spijsverteringsenzymen activeren voor de afbraak van plantencelwanden zijn afkomstig van schimmels en bacteriën en zijn via horizontale genoverdracht in het genoom van de voorouders van de kevers gebracht. "Het is fascinerend dat insecten het probleem hebben opgelost hoe de celwanden van planten zo verschillend kunnen worden afgebroken. Waarom sommige insecten genen horizontaal van microben hebben gekregen, terwijl anderen symbionten onderhouden om hetzelfde werk te doen, is een interessante vraag die in toekomstige studies nog moet worden beantwoord, ", zegt Martin Kaltenpoth van de Universiteit van Mainz.