Эндосимбиотическая матрешка червеца демонстрирует движуху

Когда глядишь на мучнистого червеца, хочется его раздавить, сломать, уничтожить. Мелкие гаденыши являются вредителями многих культурных растений, они высасывают из них соки, распространяют болезни, способствуют росту плесени и дорого обходятся экономике. Вместе с тем за последние 15 лет выяснилось, что эти полужесткокрылые насекомые представляют собой удивительный пример симбиоза, и с каждым новым открытием биология этих отношений становится все более интересной и невероятной.

Цитрусовый червец. Фото: Alex Wild.

Еще в начале XX века немецкий зоолог Пауль Бухнер заметил, что в клетках многих насекомых обитают бактерии. У червецов он обнаружил «округлые или овальные слизистые глобулы», где, по его мнению, тоже жили микробы-симбионты. Когда позднее другие ученые проводили с червецами опыты, кормя их антибиотиками, эти шарики слизи разрушались вместе с бактериями, что казалось довольно странным. Кроме того в слизи находили разные клеточные органеллы, что также было странно. Генетические исследования показали, что глобулы содержат ДНК двух разных бактериальных линий, но это по крайней мере можно было объяснить: вероятно, там живут симбионты не одного, а сразу двух видов.

В 2001 году Кэрол фон Долен решила проверить это предположение с помощью двух цветных флуоресцентных меток – молекул, которые присоединяются к двум разным бактериальным ДНК и светятся синим или красным. Если в шарике действительно живут две разновидности бактерий, то множество синих и красных точек должны были окрасить глобулы в фиолетовый цвет. Но этого не произошло. Вместо фиолетовых глобул получились синие со множеством красных точек. Синие метки соединялись с веществом самих глобул. Эти слизистые шарики не были домиками для двух видов бактерий – они сами были бактериями.

Цитрусовый червец (Planococcus citri) – а именно его исследовала фон Долен с коллегами – оказался матрешкой: внутри насекомого живут бактерии, а внутри этих бактерий – другие бактерии. Микробы-шарики получили имя Tremblaya princeps, а их жители – Moranella endobia.

В данном случае бактерии Tremblaya светятся зеленым, Moranella – красным, а ядра клеток червеца – синим. Фото: Ryuichi Koga.

В 2011 году фон Долен и генетик Джон Маккатчен секвенировали геномы обеих бактерий и выяснили, что житие внутри насекомого позволяет им обходиться без ряда генов, которые были ими благополучно утрачены. Геном Tremblaya вообще удивительно мал – всего 121 ген, это меньше, чем у любой другой бактерии. Она потеряла даже те два десятка генов, считающихся незаменимыми, которые имеются у всех живых организмов и, вероятно, были в наличии у последнего универсального общего предка. Впрочем, эту потерю сполна компенсируют их сожители Moranella, чей геном в четыре раза больше – и нужные гены оттуда никуда не пропали. Если у одного партнера есть какой-то успешно функционирующий ген, другие партнеры могут смело от него избавляться. Например, для производства аминокислоты фенилаланина требуется девять ферментов – так вот Tremblaya создает 1, 2, 5, 6, 7, 8, Moranella – 3, 4, 5, а клетка самого червеца отвечает за 9-й. В этой матрешке – один метаболизм на троих.

Такая сложная система взаимовыручки формировалась постепенно: сначала в клетки цитрусовых червецов заселились Tremblaya, затем к ним присоединились Moranella. У многих других видов мучнистых червецов тоже присутствуют Tremblaya, а вот их внутренние компаньоны различаются. У некоторых червецов, например у овсяного (Phenacoccus avenae), нет вторых симбионтов, только Tremblaya, и в таком случае бактерия содержит полсотни дополнительных генов. А у щетинистого червеца (Pseudococcus longispinus) внутри Tremblaya живут, возможно, сразу два вида бактерий.

Щетинистые червецы. Фото: Gary R. McClellan.

Возможным объяснением такой ситуации могло бы стать следующее: в незапамятные времена в предкового червеца проникла двухмикробная матрешка, а затем по мере дивергенции червецов симбионт второго порядка эволюционировал вместе с ними или же утрачивался. «Все это так странно, так необычно, что я полагал, что такое проникновение могло случиться только раз», – говорит Маккатчен. Если бы данная модель была верна, то мы могли бы ожидать, что филогенетическое древо внутренних бактерий соответствовало бы древу самих червецов. Однако никаких соответствий нет.

Филип Хасник, один из аспирантов Маккатчена, секвенировал геномы пяти видов мучнистых червецов и их симбиотических бактерий. Оказалось, что Tremblaya – очень преданный симбионт, а вот внутренние бактерии периодически меняются. Вот почему некоторые из них обладают геномами, которые в десять раз больше, чем у других, – они просто подселились в Tremblaya позже и не имели достаточно времени, чтобы избавиться от ненужных генов. Особенно успешны в деле подселения в клетки насекомых бактерии Sodalis, которые, по словам Маккатчена, в данный момент являются его любимицами.

Так что хоть все три партнера и не могут выжить друг без друга, матрешка получается достаточно гибкой: самый внутренний партнер может прийти и уйти, гены теряются, сохраняются или приобретаются горизонтальным переносом. Как показали Хасник и Маккатчен, в ДНК каждого червеца имеются бактериальные гены и они почти никогда не совпадают с генами их текущих партнеров. Эти гены принадлежали бактериям, которые жили в насекомых раньше, а потом покинули их. Каждый из этих червецов представляет собой генетический коктейль из многих видов микробов, некоторые из которых уже давно ушли.

Весь этот генетический ералаш ученые разместили на невероятно сложной диаграмме, которую сами едва ли понимают. «Если смотреть только на цитрусового червеца, то можно подумать: вот оно что! Ну, молодец, червец! – отшучивается Маккатчен, затрудняясь объяснить разноцветное нагромождение. – Однако выявленный динамизм дает понять, что нужно быть аккуратнее с выводами, полученными на основании одного лишь примера».

Кэрол фон Долен дает высокую оценку проделанной работе. «Думаю, на новом этапе изучения симбиозов мы увидим больше подобных исследований, вовлекающих множество родственных видов с целью понять, как отношения между животными и микробами эволюционируют с течением времени», – говорит она. Возможно, так ученые смогут прояснить многие вопросы, связанные с эндосимбиотическим происхождением митохондрий и хлоропластов.

Вообще, рядом черт Tremblaya уже напоминает эти органеллы: у нее очень маленький геном, в котором нет многих жизненно важных генов, ее судьба давно и тесно связана с клеткой червеца-хозяина, которой она помогает выживать, так же как это делают митохондрии и хлоропласты. Но есть и существенные отличия. Органеллы, сократив свой геном, передали генные полномочия хозяйским клеткам, Tremblaya же полагается на своих внутренних симбионтов. Органеллы можно найти почти в каждой клетке тела, в то время как Tremblaya встречается только в некоторых специализированных клетках. Наконец, органеллы незаменимы: удали из вас все митохондрии – вы тут же увянете, и никакое срочное внедрение хлоропластов или еще каких-то эндосимбионтов не поможет, и вскоре вы бесславно окочуритесь. Tremblaya же заменима – у одного из мучнистых червецов вместо нее в клетках живет другая бактерия.

Можно, наверное, говорить, что Tremblaya встала на путь становления органеллой, но пока что таковой не является. «Я не хочу звать ее органеллой, серьезно, не хочу», – говорит Джон Маккатчен. Что ж, не будем и мы. Мы будем звать ее Настасьей.


Текст: Виктор Ковылин. По материалам: The Atlantic и других источников
Научная статья: PNAS (Husnik & McCutcheon, 2016)

Все права на данный текст принадлежат нашему журналу. Если вы хотите поделиться информацией, можно использовать фрагмент и поставить активную ссылку на эту статью – мы будем рады. Пожалуйста, не копируйте текст в соцсети целиком, мы хотим, чтобы наши статьи читали на нашем сайте, попутно замечая и другие наши статьи. С уважением, Батрахоспермум.

Graeae by Gerald Kelley

Вас также могут заинтересовать статьи:
Как чудодейные микробы помогают нам эволюционировать
Островной полет: курс на бесполетность
Лягушеньку стошнило новым видом муравья