Genoma ridotto - prestazioni flessibili: come i batteri simbiotici con informazioni genetiche minime supportano il loro ospite
Nonostante abbiano solo un genoma minuscolo, i simbionti dei coleotteri delle canne sono in grado di adattare la loro attività genica in modo flessibile alle fasi di sviluppo e alle temperature ambientali dei loro ospiti
Molti insetti vivono in simbiosi con alcune specie di batteri. Questi batteri contribuiscono in modo importante all'alimentazione, alla digestione, alla disintossicazione, alla riproduzione e alla difesa dei loro ospiti. A causa della stretta coesistenza con gli insetti, nel corso della loro coevoluzione i simbionti spesso perdono i geni per i prodotti metabolici che sono forniti anche dai loro ospiti. Un esempio è rappresentato dai simbionti dei coleotteri delle canne, che conservano un genoma molto piccolo contenente solo geni importanti per lo sviluppo del coleottero. È interessante notare che le larve e gli adulti del coleottero hanno diete diverse: le larve succhiano la linfa delle radici, povera di aminoacidi, mentre gli adulti mangiano foglie e fiori con pareti cellulari difficili da digerire. I batteri simbionti sostengono le larve producendo aminoacidi, integrando così la loro dieta. Inoltre, aiutano i coleotteri adulti producendo un enzima che rompe le pareti cellulari delle piante. Tuttavia, non tutti i simbionti apportano benefici a entrambi gli stadi vitali.
Servizi simbiotici variabili forniti dai batteri
Il Dipartimento di Simbiosi degli Insetti, diretto da Martin Kaltenpoth, ha studiato in modo più approfondito i simbionti dei coleotteri delle canne. Tutti i coleotteri delle canne ospitano lo stesso simbionte. Tuttavia, il team di ricerca ha scoperto che in alcuni casi questo simbionte aveva perso la capacità di produrre gli enzimi per scomporre la parete cellulare delle piante, difficile da digerire. Gli scienziati hanno ipotizzato che la produzione di questi enzimi sia vantaggiosa solo per i coleotteri adulti.
Esistono due tipi di associazione simbiotica all'interno dei coleotteri delle canne. Da un lato, ci sono specie di coleotteri in cui il simbionte beneficia entrambi gli stadi vitali; dall'altro, ci sono quelle in cui solo le larve beneficiano direttamente del simbionte. Inizialmente, volevamo capire se l'espressione genica del simbionte confermasse questa ipotesi e se la regolazione dell'espressione genica da parte del simbionte fosse diversa tra le specie con uno o due benefici e, data la piccola dimensione del genoma totale, se tale regolazione fosse possibile", spiega la prima autrice Ana Carvalho, riassumendo l'obiettivo iniziale del suo studio.
L'attività genica dei simbionti del canneto si adatta alle esigenze dei coleotteri nelle diverse fasi del loro sviluppo.
Ana Carvalho e i suoi colleghi hanno utilizzato il sequenziamento dell'RNA, saggi di attività enzimatica e l'ibridazione in situ a fluorescenza (FISH) per esaminare l'espressione genica, l'attività digestiva nei coleotteri e nei loro simbionti, nonché la localizzazione e la forma cellulare dei simbionti in quattro specie di canneto in diverse fasi di sviluppo.
"Abbiamo scoperto che il simbionte aumenta costantemente l'espressione dei geni per la biosintesi degli aminoacidi durante lo stadio larvale in quattro specie di coleotteri canneti. Abbiamo anche osservato un coordinamento tra l'espressione degli enzimi digestivi della parete cellulare vegetale dell'ospite e del simbionte durante lo stadio adulto dell'ospite, evidenziando come la regolazione fine dell'espressione genica del simbionte possa ottimizzare l'apporto di benefici da parte del simbionte", afferma Ana Carvalho.
Il team non solo è stato in grado di rilevare l'alterazione dell'espressione genica in diversi stadi di sviluppo del coleottero, ma ha anche utilizzato tecniche di imaging per dimostrare che il simbionte cambia la sua forma cellulare durante il ciclo vitale. Ciò potrebbe essere collegato alla sua alterata funzione metabolica durante gli stadi larvali e adulti del coleottero ospite.
Plasticità nell'espressione genica anche in condizioni ambientali alterate
Poiché le indagini si sono concentrate sulla capacità del simbionte di regolare l'espressione genica nonostante il suo piccolo genoma, il team di ricerca ha esaminato anche le possibili differenze di risposta alle fluttuazioni di temperatura sperimentate dai coleotteri delle canne durante il loro ciclo di vita. A tal fine, i ricercatori hanno esposto le larve di canneto a due diversi cicli di temperatura per un mese, con fluttuazioni tra 12 °C e 8 °C e tra 22 °C e 14 °C rispettivamente. Nonostante il genoma e l'apparato di regolazione siano notevolmente ridotti, è emerso un chiaro modello di espressione genica dipendente dalla temperatura. Il simbionte era in grado di attivare geni diversi a seconda della temperatura. In condizioni di freddo, per esempio, il simbionte ha attivato un meccanismo di stress che di solito risponde al calore nei batteri a vita libera, ma che in questo caso sembra essersi evoluto per rispondere allo stress da bassa temperatura.
Se da un lato lo studio risponde a molte domande, dall'altro ne solleva di nuove. Quali funzioni hanno i restanti interruttori genici dei simbionti (fattori di trascrizione) e come vengono controllati alcuni geni in loro assenza? Perché i simbionti cambiano forma e quali vantaggi apportano a loro e al loro ospite? Per chiarire questo aspetto sono necessari ulteriori esperimenti con coleotteri di canna o con modelli di insetti-batteri più facili da studiare.
"I nostri risultati rivelano che i piccoli genomi dei simbionti possono regolare alcuni processi molto importanti, dimostrando che un metabolismo regolato può essere mantenuto con un insieme minimo di geni. Ora vorremmo capire meglio come funziona esattamente il coordinamento metabolico tra ospite e simbionte", riassume Martin Kaltenpoth.
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