Генетические основы развития симбиоза

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 14014 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Мутуалистические взаимодействия между организмами часто опосредуют появление новых черт, необходимых для поддержания отношений. Однако наше понимание этих взаимодействий зашло в тупик из-за различных препятствий в изучении генетики немодельных животных. Чтобы понять генетические механизмы, с помощью которых развиваются такие признаки, мы исследовали функцию генов бездыханного (btl), безтрахейного (trh) и двойного пола в развитии нового органа, несущего грибы (микангий), который облегчает облигатную связь между грибами и выращивание жуков-амброзии и конкретных грибковых партнеров. Нокдаун генов с помощью РНК-интерференции и последующая визуализация с помощью микрокомпьютерной томографии позволяют предположить, что btl и trh необходимы для инициации микангии и что тубулогенез может быть использован для раннего развития микангиев.

Эволюционная биология развития стремится ответить на фундаментальные вопросы, связанные с механизмами, лежащими в основе морфологических инноваций и эволюции в направлении увеличения структурной сложности строения тела. Коопция позволяет повторно использовать основные гены развития в новом контексте развития, например, интеграцию генов придатков насекомых в эволюцию глазных пятен бабочек1. Среди многих интересных примеров особое значение имеют новые признаки, которые могут помочь в распределении микробного симбионта внутри тела животного-хозяина. Кальмар гавайского бобтейла (Euprymna scolopes) и его симбионт Vibrio fischeri являются одним из таких консорциумов, в котором идентификация кооптированных генов-мишеней в органе света кальмара помогла расшифровать идентичность и эволюционное происхождение этой структуры2.

Жуки-амброзии, которые среди настоящих долгоносиков (Curclionidae) насчитывают более 3500 видов, более десятка раз самостоятельно образовывали облигатные пищевые партнерства с грибами3. Их способность переносить грибковые симбионты в специализированные органы, называемые микангиями, привела к многочисленным исследованиям морфологии и функций. Однако за пределами филогенетических исследований лишь немногие исследования предоставляют молекулярно-генетические ресурсы4,5, а генетические механизмы и механизмы развития, лежащие в основе повторной эволюции микангии, все еще плохо изучены. Микангию можно обнаружить в различных сегментах тела разной степени сложности; некоторые микангии представлены неглубокими ямками, другие представляют собой более сложные впячивания, карманы или канальцы3,6. Эта структурная адаптация связана со сдвигом как в составе питания личинок, так и в структуре натальной галереи в древесной среде по сравнению с их родственниками-короедами, питающимися флоэмой7. Таким образом, ксиломицетофагия необходима для экологической ниши, определяемой жуками-амброзиями и их грибковыми симбиозами7. Эта эволюция к ксиломицетофагии произошла между большим разнообразием грибковых партнеров6; Разнообразие пищевых партнеров, ведущих к одной и той же структурной и функциональной конечной точке, позволяет предположить, что эти тесные пищевые связи могут стимулировать специализированное развитие внутри насекомого-хозяина.

Относительно производная особенность культивирования грибов облегчила способность жуков процветать в обедненных питательными веществами древесных средах обитания, позволяя им использовать лигноцеллюлозу в качестве ценного ресурса. Хотя их поведение, направленное на сверление древесины, в первую очередь нацелено на находящиеся в стрессе или умирающие деревья, масштабные нападения на деревья-хозяева могут усугубить их упадок. В современном глобализированном мире интродукция экзотических видов жуков-амброзии увеличивает вероятность новых взаимодействий с местными деревьями, тем самым увеличивая вероятность возникновения новых ассоциаций хозяев. Следовательно, жуки-амброзии стали важным предметом в области лесной патологии и энтомологии. Кроме того, разнообразие морфологии микангий и симбиотических отношений с грибами-партнерами делает их весьма интригующими с точки зрения эво-дево. Здесь мы использовали вид жука-амброзии Euwallacea validus для изучения генетических основ развития микангии. Этот вид, завезенный в США в конце 1900-х годов, широко распространен на северо-востоке США. Взрослые самки E. validus переносят своего основного пищевого симбионта, Fusarium oligoseptatum, предположительно в паре преоральных микангиев, расположенных медиально внутри головы за нижними челюстями. Предыдущие исследования, посвященные внутренней организации микангии, выявили вторую пару небольших мешочков внутри головы, ниже первичной микангии и расположены латерально возле каждого глаза, но не дали функциональной характеристики8. Виды Euwallacea также известны как переносчики вторичных симбионтов (таких как Raffaelea subfusca и Graphium sp.), которые, как предполагается, играют альтернативные роли в натальных галереях на протяжении всего развития9. Было обнаружено, что у других видов жуков-амброзиев не только развиваются множественные микангии, но также могут сегрегировать разных симбионтов в отдельные сумки6. Решение, касающееся рода Euwallacea, оставляет без ответа многие вопросы относительно периферийных партнерств, но показало высокую достоверность взаимоотношений между этими жуками и Fusarium. Исследование и отбор проб на основе культуры 250 самок E. validus привели к обнаружению грибов у 99,2% отобранных особей, что указывает на устойчивую сохранность микангии и грибковой колонизации в популяциях дикого типа10,11.