Питание изнутри: Клопы-солдатики зависят от кишечных бактерий в поставке витаминов

Микробные партнеры важны для питания многих насекомых. Они помогают детоксицировать и переваривать пищу, а также поставляют необходимые питательные вещества. Европейский клоп-солдатик Pyrrhocoris apterus и африканский хлопковый клоп Dysdercus fasciatus питаются в основном семенами растений, бедными источниками незаменимых витаминов группы B. Ученые из Исследовательской группы симбиоза насекомых Института химической экологии им. Макса Планка в Йене (Германия) вместе с коллегами из Йенского университета имени Фридриха Шиллера обнаружили, что бактериальные симбионты в кишечнике насекомых производят эти витамины, обеспечивая метаболическую стабильность и, в конечном счете, выживание хозяина.

Интересно, что поставка витаминов симбионтами напрямую влияет на регуляцию генов хозяина: при отсутствии бактериальных партнеров у клопов наблюдается характерная реакция на дефицит витаминов. Однако симбиоз между клопами и их бактериями не обязательно гармоничен: предполагается, что насекомые активно «собирают» витамины у бактерий, используя специфические ферменты, разрушающие бактериальные клеточные стенки (Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, ноябрь 2014).

Экспериментальное подтверждение роли симбионтов

Контролируемые эксперименты ученых из Йены указывают на то, что поставка витаминов группы B — важная черта этой ассоциации. Клопы, лишенные симбионтов, но выращенные на искусственной диете, богатой витаминами группы B, развиваются так же хорошо, как и клопы с микробами. Высокая смертность на ювенильных стадиях у клопов без симбионтов наблюдается только при исключении витаминов группы B из искусственной диеты.

Влияние на метаболизм и экспрессию генов хозяина

Отсутствие симбионтов существенно влияет на метаболизм хозяина. У клопов, лишенных симбионтов, наблюдается иной метаболический профиль, который можно восстановить либо искусственным добавлением витаминов группы B в диету, либо повторным заражением симбионтами.

Профилирование экспрессии генов хозяина показало, что насекомое значительно увеличивает количество транспортеров витаминов группы B и активирующих ферментов при отсутствии кишечных микробов. Белки, осуществляющие активный транспорт витаминов через кишечный эпителий в клетки, экспрессируются в большем количестве при дефиците этих питательных веществ, чтобы повысить эффективность их сбора из содержимого кишечника. Добавление витаминов в диету или восстановление симбиотического партнерства нормализует экспрессию этих генов.

Активный «сбор урожая» витаминов

Исследование иммунного ответа хозяина на присутствие симбионтов позволяет предположить, что клопы активно «собирают урожай» со своих бактериальных партнеров путем лизиса (разрушения) бактериальных клеток. Это позволяет им поглощать свободные витамины из мертвых клеток. Экспрессия генов, кодирующих специальные антимикробные пептиды, в частности лизоцим, подтверждает это предположение.

«Добавка витаминов» — слишком мягкое определение. «Изъятие» точнее, учитывая, как хозяин, предположительно, извлекает витамины из своих микробов — он, по сути, эксплуатирует их для получения выгоды. Тем не менее, поскольку «собирается» лишь часть популяции симбионтов, микробы, вероятно, также получают пользу от ассоциации с хозяином, получая питание в кишечнике клопа и гарантированный путь передачи следующему поколению.

Значение для исследований

Изучение простых и удобных для экспериментов микробных сообществ насекомых может дать ценную информацию для понимания функций сложного микробиома человека, большинство из которых остаются неизвестными, как и их влияние на наш метаболизм и физиологию.