Палочники сами производят бактериальные ферменты

Многие животные зависят от микробиома для переваривания пищи. Симбиотические микроорганизмы производят ферменты, которые их хозяева синтезировать не могут. Эти ферменты работают отдельно или вместе с собственными ферментами животных, расщепляя пищу. Многим растительноядным насекомым необходимы микробные ферменты, например, пектиназы, разрушающие клеточные стенки растений. Однако некоторые насекомые преодолели эту зависимость удивительным образом. Исследователи из Института химической экологии Макса Планка в Йене (Германия) обнаружили, что палочники производят микробные ферменты сами. Гены, кодирующие эти важные ферменты, просто «перепрыгнули» от предковой кишечной бактерии к геному насекомого-хозяина. Об этом недавно обнаруженном «горизонтальном переносе генов» учёные сообщают в статье, опубликованной в Scientific Reports.

«Считается, что насекомые не должны сами производить пектиназы», — объясняет доктор Матан Шеломи, постдок в отделении энтомологии и ведущий автор исследования. — «Тем не менее, палочники производят их в большом количестве, и их геном содержит множество генов пектиназ!». На основе сходства ДНК источником был признан гамма-протеобактерии — наиболее распространённый тип бактерий в микробиоме палочников, который также часто встречается на листьях, которыми они питаются. «Мы не уверены, как это произошло, но один или два гена пектиназ из кишечной бактерии или даже просто из пищи явно перескочили в геном палочника, а затем эволюционировали вместе с насекомыми», — поясняет Шеломи. Тесты показывают, что некоторые из новых пектиназ сохранили свою первоначальную функцию — расщепление пектина, в то время как другие имеют пока неизвестные функции. Но когда произошёл этот перенос?

Международная коллаборация решает загадку

Чтобы выяснить это, команда сначала протестировала семь различных видов палочников, включая примитивный и короткий вид Timema cristinae, встречающийся только в Калифорнии и относящийся к сестринской группе по отношению ко всем остальным палочникам. У Timema нет пектиназ, в то время как у других, «Euphasmatodea», они есть. Однако было неясно, были ли у Timema когда-либо эти гены или они их просто утратили. Затем команда начала сотрудничество с проектом «1K Insect Transcriptome Evolution Project (1KITE)». Используя генетические базы данных 1KITE от 1000 видов насекомых, включая почти 50 Phasmatodea, исследователи смогли быстро провести поиск этих ферментов в различных группах. Результаты показали, что перенос генов произошёл где-то после разделения Timema и Euphasmatodea, но до того, как последние разделились на примерно 3000 существующих сегодня видов: между 110 и 60 миллионами лет назад.

Гены кишечных микробов могут изменить своих хозяев

Другие исследователи из отделения энтомологии ранее обнаружили горизонтальный перенос генов пектиназ у листоедов. Возможно, не случайно, что и они, и палочники являются специалистами по питанию листьями. Также не обязательно совпадение, что каждая группа пережила массивную видовую радиацию после того, как у них произошёл горизонтальный перенос. «Что-то произошло, что заставило крошечных Timema превратиться в планетарную группу из почти 3000 видов, которые могут достигать почти полуметра в длину», — говорит Шеломи, имея в виду самое длинное насекомое в мире, Euphasmatodea под названием Phoebetica chani. Его новая теория, «Гипотеза ферментативной экспансии», заключается в том, что внезапное появление новых ферментативных способностей — будь то в результате мутации или горизонтального переноса генов — может стимулировать эволюцию вида и изменить его рацион для специализации на одном источнике пищи.

Помимо ферментов, горизонтальный перенос генов может обеспечить любое количество новых способностей, а наш микробиом представляет собой неисчерпаемый источник потенциально изменяющих вид белков. «Идея о том, что гены от микробов, живущих в нашем кишечнике, могут внезапно стать частью нашего генома и изменить ход нашей эволюционной истории, — это невероятное открытие», — заключает Шеломи.