Симбиоз тли и бактерий
Обновлено: 05.10.2024
Симбиотические отношения в природе встречаются часто. Иногда они видны невооруженным глазом, как, например, абсолютная взаимозависимость между пчелами и цветущими растениями. Однако, бывает и такой симбиоз, который невозможно разглядеть без микроскопа. Например, между животными и бактериями. И это могут быть очень интересные отношения. Так как в обмен на уютную и безопасную среду обитания микробы дают своим компаньонам настоящие суперспособности, вроде неуязвимости к ядам или невидимости.
Топ-5 примеров симбиоза животных и бактерий
Это крошечное насекомое, которое высасывает жидкость из растений и распространяет между ними вирусы. Тля - опасный вредитель, но от этого она не становится менее замечательной с биологической точки зрения. Во всем мире насчитывается более 4000 её видов, и она плодится где-то даже с абсурдной скоростью. Каждое насекомое может порождать 80 себе подобных каждые 10 дней. Тля способна к половому размножению, но большинство насекомых рождаются по существу уже беременными благодаря так называемому партеногенезу. Эти кошмарные для любых демографов свойства позволяют ей губить огромное количество растений.
Однако рацион питания тли имеет существенный недостаток - в соках растений нет нужных насекомым аминокислот. Естественным выходом здесь кажется более разнообразная диета, но тля нашла более творческое и эффектное решение - некоторые её виды вступили в симбиоз с бактериями, которые взяли производство этих веществ на себя. Микробы принадлежат к роду Buchnera, и передаются тлей из поколения в поколение на стадии эмбрионов. Бактерии самостоятельно производят некоторые аминокислоты, например, триптофан. В других же случаях они генерируют их совместно с тлей. По мнению учёных, эти партнёрские отношения начались 250 миллионов лет назад. Возможно, в результате того что бактерии, жившие в кишечнике тли, полностью отобрали у насекомых какие-то функции. И сегодня они уже не способны существовать друг без друга.
Бактерии позволяют тле выжить на пище, непригодной для любых других насекомых. А тля дает микробам пищу и безопасное место для жизни - у неё есть специальные клетки, бактериоциты, в которых, собственно, и размещаются их микроскопические друзья. Эти отношения настолько успешны, что бактерии успели избавиться от значительной части своего генома, в том числе и от тех участков, что отвечают за реакцию на изменения окружающей среды и создание прочных стенок клеток. Так как если у тебя уже есть хороший дом, и ты регулярно питаешься, то всё это не нужно. Сейчас у этих бактерий осталось всего около 500 генов, в то время как у их сородичей, обитающих в "дикой природе", по крайней мере, 1500. Так что если кто-то из ваших друзей пожалуется, что тля пожирает урожай и губит растения, знайте, там орудует целая банда.
Древесные крысы
Конкуренция за пищу может быть жесткой, особенно в суровых условиях пустыни. Там её вообще не очень много, а та, что есть, например, растения, совсем не стремятся быть съеденными. У них очень часто серьёзная защита - шипы или яд, которые отпугивают большинство потенциальных клиентов. Возьмём, к примеру, куст креозота. Он содержит ядовитую смолу, которая может нанести очень серьёзные повреждения печени и почкам. Однако некоторые животные относительно надёжно защищены от яда.
В течение многих десятилетий ученые фиксировали, что древесные крысы спокойно и без страха едят это растение. Это само по себе не странно. Есть животные, чьи организмы устойчивы к ядам. Для эволюции это нормально. Удивительным было то, что не все грызуны обладают этим иммунитетом, даже в пределах одного вида. Крысы, обитающие в пустыне Мохаве, что в Южной Калифорнии, где куст креозота встречается сплошь и рядом, могли есть его в любых количествах. Однако их северные собратья, из пустыни Большого Бассейна, где это растение не встречается, почувствовали себя нехорошо и похудели, когда их накормили этим растением в лаборатории. Учёным понадобилось более десяти лет, чтобы найти ответ на эту загадку.
В 2014 году в журнале "Ecology Letters" они рассказали, что между собой отличались не сами крысы, а их кишечные бактерии. Когда грызунам из пустыни Мохаве вводили антибиотики, их суперспособность исчезала, и они больше не могли безнаказанно питаться креозотовым кустом. Когда же их кишечные бактерии были "пересажены" крысам из Большого Бассейна, те получили возможность есть это растение. Исследователи до сих пор не знают, какие именно микробы дарят животным столь потрясающий иммунитет. Креозотовая смола содержит сразу несколько токсинов, и вполне вероятно, что здесь работает целый комплекс бактерий. Передаются они, видимо, посредством копрофагии. Не очень гигиенично, конечно, но для живой природы это не является чем-то исключительным.
Глубоководные моллюски
На планете Земля жизнь есть везде, в том числе и на дне океана. Впервые ученые увидели глубоководные гидротермальные жерла в 70-х годах прошлого века, и были поражены количеством и разнообразием живых существ вокруг этих "дымоходов". В частности, некоторые моллюски, относящиеся к семейству Vesicomyidae, оказались здесь гораздо более крупными, чем ожидалось. Ведь, по сути, моллюски - это живые фильтры, питающиеся крошечными организмами, а на дне океана подобной еды не может быть много.
Сегодня уже известно, что эти моллюски процветают на глубине 6800 метров с помощью симбиотических бактерий. У Vesicomyidae очень большие жабры со множеством бактериоцитов, где обитают микробы, окисляющие серу из гидротермальных источников. Извлекаемая энергия помогает питать обе стороны симбиоза. Как и в случае с тлёй, эти бактерии потеряли гены, связанные с клеточной структурой и способностью к самостоятельному перемещению, и не встречаются нигде за пределами жабр этих моллюсков. Также как и тля, моллюски приобретают бактерии ещё до своего рождения. Микробы входят в состав их яиц. Мало кто из живых существ способен выжить на дне океана, во многих километрах от солнечного света. Однако симбиоз с бактериями, как видим, способен обеспечить некоторым из них довольно комфортную нишу для существования.
Синекольчатый осьминог
Еще один обитатель океана, обладающий сверхспособностью. Это невероятно милое существо. Оно весит менее тридцати граммов и спокойно помещается в человеческую ладонь. Но брать его в руки не стоит, ведь это одно из самых ядовитых животных на планете. Его яд содержит тетродотоксин (ТТХ), который в тысячу раз мощнее цианида. Он блокирует натриевые каналы нервных клеток, парализуя мышцы. Это, помимо прочего, ведёт к дыхательному параличу, смерть от которого наступает в течение нескольких минут.
Столь сильный яд - это абсолютное излишество для осьминога, ведь он использует его на небольших крабах и моллюсках. Но это так, лирическое отступление. Самое интересное в этом существе то, что само оно не производит никаких токсинов. По мнению учёных, это делают симбиотические бактерии, обитающие в его слюнных железах. Справедливости ради стоит отметить, что споры на этот счёт ещё продолжаются, и не всем исследователям удалось вырастить микробов, производящих TTX, из этих желез. Тем не менее, бактерии, генерирующие тетродотоксин, науке известны, и в данном случае, вероятнее всего, синекольчатые осьминоги вступили в симбиоз сразу с несколькими из них.
Пока неясно, как началось это партнерство и какие преимущества получают бактерии. Жизнь внутри осьминога, вероятно, дает им защиту от хищников, что является несомненным плюсом. Что касается осьминога, то у него развилась устойчивость к действию яда. Натриевые каналы его нервных клеток трансформировались, и TTX на них больше не действует. То же самое наблюдается, допустим, у рыбы фугу.
Гавайский кальмар бобтейл
Жизнь в океане полна опасностей, в том числе и для гавайского кальмара бобтейла. Это существо имеет всего около 3 сантиметров в длину, поэтому является отличной закуской для более крупных хищников. Питается он ночью, что также весьма рискованно. Свет звезд и Луны освещает океанскую воду, благодаря чему силуэты кальмаров хорошо видны охотникам, находящимся ниже их в воде. Но ровно до тех пор, пока бобтейл не станет невидимым благодаря помощи биолюминесцентных бактерий Vibrio fischeri.
Они находятся внутри особого светового органа, расположенного в мантии - верхнем покрове, чем-то напоминающем шляпу. Ночью светящиеся бактерии имитируют свет, что делает их хозяина невидимым, если смотреть на него снизу. В ходе научных экспериментов ученые доказали, что кальмар с помощью специальных тканей своего тела может регулировать количество испускаемого света. Бобтейлы не рождаются с этими бактериями, как некоторые предыдущие фигуранты сегодняшнего рассказа, однако Vibrio fischeri в изобилии водятся в их среде обитания. Прогоняя воду через свой организм, кальмар задерживает их в особой слизи своего "фонаря". То есть это не те гармоничные отношения, которые мы встречали ранее. Чтобы не допустить излишнего размножения микробов, головоногие каждое утро выбрасывают в океан до 90% их количества.
Однако та часть, что остаётся, чувствует себя в безопасности. Есть даже некоторые свидетельства того, что кальмары подкармливают их, так как к наступлению темноты их численность увеличивается. Примечательно, что Vibrio fischeri являются близкими родственниками болезнетворных бактерий, в том числе тех, которые вызывают холеру. Ученые проводят исследования, пытаясь выяснить, каким образом у этих микробов могли сложиться столь тесные отношения с бобтейлом. В идеале, это поможет ответить на вопрос, что делает те или иные бактерии полезными или, наоборот, опасными.
Тли питаются исключительно соками растений. Жить на этой скудной диете им позволяет удачный симбиоз с бактериями. Симбионты получают от хозяев кров и пропитание, а в обмен синтезируют для них аминокислоты, витамины и другие вещества, напрочь отсутствующие в той чуть сладенькой водичке, которая составляет единственную пищу тлей.
Новая статья сотрудников Факультета экологии и эволюционной биологии Аризонского университета в Тусоне (США) показывает, что генетические особенности симбионтов могут сильнейшим образом сказываться на жизнеспособности и экологических характеристиках всего симбиотического комплекса.
Любопытно, что некоторые гены, которые у других организмов обычно активируются при перегреве, у бухнеры всегда работают с повышенной активностью. Дело в том, что неправильное сворачивание белков может происходить не только из-за высоких температур, но и из-за вредных мутаций в генах, кодирующих эти белки. Бухнера, лишенная способности к рекомбинации, обречена на постоянное накопление мутационного груза, а шапероны до некоторой степени могут сгладить негативные эффекты мутаций, сворачивая правильным образом не совсем правильные белки.
В дальнейшем были проверены многие другие лабораторные линии тлей этого вида, и в одной из них обнаружился второй случай независимого возникновения той же самой мутации. Зная историю изучаемых линий, авторы установили, что один раз мутация произошла в 2001 году, второй — в 2005-м. Естественно, ученые захотели выяснить, встречается ли эта мутация в природных популяциях. Оказалось, что она довольно обычна у тлей из прохладных штатов Нью-Йорк и Висконсин (в некоторых популяциях мутантные симбионты присутствуют у 20% тлей), но не встречается в штатах Аризона и Юта, где бывает по-настоящему жарко. Эксперименты подтвердили, что у всех мутантов ген ibpA не активируется при перегреве, а у всех линий без мутации — активируется. Остальные гены теплового шока активировались совершенно одинаково как у мутантных, так и у нормальных бухнер.
Исследователи решили выяснить, каким образом мутация, произошедшая у бактериального симбионта, отражается на жизнеспособности и репродуктивном потенциале симбиотического сверхорганизма. Тлей с мутантными и нормальными бухнерами выращивали в разных температурных условиях: при постоянной температуре 15° и 20°C, а часть насекомых в возрасте двух дней после вылупления из яйца подвергали четырехчасовому нагреванию до 35,5°C. Выяснилось, что после перегрева тли с мутантными симбионтами почти полностью утрачивают способность к размножению, тогда как тли с нормальными симбионтами размножаются вполне успешно. Однако при постоянной температуре 15° или 20°C заметным преимуществом обладают тли с мутантными симбионтами. Они раньше начинают размножаться и в среднем производят больше потомков.
Дополнительные эксперименты позволили установить, почему кратковременный перегрев так губительно сказывается на тлях с мутантными бухнерами: повышение температуры до 35°C или выше приводит к массовой гибели бактериальных симбионтов. После этого остается всего лишь около 1000 бактерий на одно насекомое, тогда как норма составляет примерно миллион.
Источник: H. E. Dunbar, A. C. C. Wilson, N. R. Ferguson, N. A. Moran. Aphid Thermal Tolerance Is Governed by a Point Mutation in Bacterial Symbionts // PLoS Biol. 2007. 5(5): e96 doi:10.1371/journal.pbio.0050096.
Проведено изучение микробоценоза пищеварительного тракта 3 видов тли: яблонной (Aphis pomi Deg.), черемуховой (Rhopalosiphum padi L.) и смородиновой (Eriosoma ulmi L.) на территории Саратовской области. Выделено 38 видов бактерий, принадлежащих к 21 роду, среди них Curtobacterium flacumfaciens и Erwinia rhapontici, вызывающие заболевания у растений. Установлены количественные показатели и встречаемость всех выделенных видов бактерий.
Тли (Aphidinea) - один из подотрядов равнокрылых насекомых (Homoptera), который включает 12 семейств и около 2500 видов [1]. В лесостепной зоне России значительный экономический ущерб наносит яблонная (Aphis pomi Deg.), черемуховая (Rhopalosiphum padi L.) и смородиновая (Eriosoma ulmi L.) тли.
Основным кормовым растением для яблонной тли служат разные виды дикой лесной яблони, с которых она переходит на культурные сорта яблони, груши, рябины, боярышника, сливы, абрикоса и др. [2]. Черемуховая тля является мигрирующим видом, развитие которого происходит как на черемухе, так и на злаковых культурах [4]. Смородиновая тля также относится к разнодомным видам, половое поколение вредителя развивается на корнях смородины и крыжовника.
Тли питаются исключительно соками растений. Жить на этой скудной диете им позволяет симбиоз с бактериями, которые синтезируют для них аминокислоты, витамины и другие вещества. Более того, генетические особенности симбионтов могут сильнейшим образом сказываться на жизнеспособности и экологических характеристиках всего симбиотического комплекса. Так, наиболее изученные симбионты тлей, бактерии рода Buchnera, обеспечивают устойчивость насекомых к высоким температурам [9].
Интерес к изучению микробных сообществ пищеварительного тракта тлей в значительной степени обусловлен их способностью передавать возбудителей болезней растений. Большинство работ в этой области посвящено участию тлей в циркуляции фитопатогенных вирусов [3]. Роль тлей в распространении фитопатогенов бактериальной природы остается мало изученной.
Наша работа была направлена на выявление микробоценозов пищеварительных трактов самок яблонной (Aphis pomi Deg.), черемуховой (Rhopalosiphum padi L.) и смородиновой (Eriosoma ulmi L.) тли с целью выявления их участия в циркуляции микроорганизмов в природе и потенциальной возможности этих насекомых переносить различные фитопатогенные бактерии.
Работа проводилась в июне 2007 г. Было исследовано по 100 бескрылых самок каждого вида тли. Яблонная тля была собрана с плодовых деревьев в черте г. Энгельса, черемуховая - с молодых побегов черемухи в черте г. Саратова, смородиновая - с листьев черной смородины в с. Золотое Саратовской области. Идентификация насекомых проводилась по определителю насекомых [7], правильность определения подтверждена к. с.-х. н., профессором кафедры энтомологии Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова Б.С. Якушевым.
Перед бактериологическим посевом насекомых усыпляли, обрабатывали в 96 % этаноле в течение 5 минут для уничтожения микроорганизмов, обитающих на внешних покровах тли, затем промывали в стерильном физиологическом растворе. 10 экземпляров тлей, обработанных таким образом, растирали в ступке с 0,5 мл физиологического раствора. Средняя масса 10 самок тлей составляла 0,005 г, таким образом, получали разведение 10 -2 . По 0,1 мл полученной суспензии засевали на ГРМ-агар, картофельную среду и среду ВЯ следующего состава: вытяжка из яблоневых, черёмуховых или смородиновых листьев (10 %), яблочный сок (10 %), пептон (1 %), глюкоза (1 %), фруктоза (1 %), неорганические соли NaCl, FeSO4, KNO3, K2HPO4, MgSO4, CaCO3 (по 0,1 %), голодный агар (3 %), рН=6. Последняя среда являлась экспериментальной и была разработана и опробирована нами для выделения микроорганизмов, приспособленных к обитанию в пищеварительном тракте растительноядных насекомых. Посевы инкубировали при температуре 28 ºС в течение 48 ч. Для идентификации выделенных культур проводили изучение их морфологических, культуральных, биохимических свойств. Видовую принадлежность устанавливали по определителю бактерий Берджи [5,6] и определителю зоопатогенных микроорганизмов [8].
В результате исследований из пищеварительных трактов трех видов тлей выделено 38 видов бактерий, принадлежащих к 21 роду (таблица 1).
Таблица 1. Микробоценозы пищеварительных трактов различных видов тлей
Гороховая тля вынуждена жить с болезнетворными бактериями, зараженными вирусами, чтобы спастись от ос-паразитов, откладывающих в тлю личинки, которые затем медленно выедают насекомых изнутри, сообщают авторы исследования.
"Смерть, которая настигает тлю в результате нападения ос, напоминает сюжет фильма "Чужой", когда зародыш свирепого хищника развивается изначально внутри тела человека", - отмечает ведущий автор публикации Керри Оливер (Kerry Oliver), слова которого приводит пресс-служба Аризонского университета.
Единственным спасением для тли является симбиоз с паразитирующими на их организме бактериями. Группа ученых уже знала, что осы Aphidus ervi паразитируют только на тех насекомых, которые еще не заражены бактериями Hamiltonella defensa, однако как именно эти микроорганизмы защищают тлю от ос, ученым было неизвестно.
В генетических экспериментах исследователи показали, что происходит это благодаря особым вирусам бактериофагам Acyrthosiphon pisum, поражающим бактерии Hamiltonella defensa. Геном этого вируса содержит гены, кодирующие особые токсины. Эти гены передаются инфицированным бактериям, которые и начинают их впоследствии вырабатывать. Эти токсины безвредны для самой тли, однако губительны для личинок ос.
Работа впервые показала, что вирусы могут передавать зараженным организмам не только гены, вредоносные для организма-хозяина, но и наделять их свойствами, помогающими особи-хозяину выжить. Противоположным примером является такое тяжелое заболевание, как холера, развивающееся в организме людей под действием токсина, вырабатываемого бактериями Vibrio cholerae - так называемыми холерными вибрионами.
Тля и различные виды бактерий нуждаются друг в друге - для бактерий особи тли являются домом, тогда как бактерии для тли поставляют питательные вещества, которых нет в соке растений, которым питаются насекомые. Этот симбиоз настолько важен для обоих типов организмов, что организм тли содержит специальные клетки, предназначенные для жизни в них бактерий.
Hamiltonella defense не является таким важным для жизни тли симбиотическим организмом - ученые в своих экспериментах показали, что далеко не каждая особь несет на себе эти бактерии. Тем не менее только тля с этим типом бактерий в организме может успешно противостоять атакам ос-паразитов.
Выяснив, что ключевую роль в этой защите играют бактериальные вирусы Acyrthosiphon pisum, ученые вырастили несколько поколений тли, несущих на себе бактерии Hamiltonella defense, однако не сталкивавшихся в течение всей жизни с осами-паразитами. Авторы статьи заметили, что через несколько поколений тля теряет способность противостоять осам, так как лишается вируса. Это означает, что вирус не совсем безвреден для бактерий, которые постепенно от него избавляются. Поддержать же некоторое количество насекомых в популяции, несущих на себе зараженные вирусом бактерии, помогает естественный отбор, ключевую роль в котором играют осы-паразиты.
Авторы статьи полагают, что их работа показывает не только сложность устройства мира микроорганизмов, но и будет полезна для сельского хозяйства, так как гороховая тля является одним из опасных вредителей, уничтожающим посевы.
Читайте также: