Genoma reduzido - desempenho flexível: como as bactérias simbióticas com informação genética mínima apoiam o seu hospedeiro
Apesar de terem apenas um genoma minúsculo, os simbiontes dos escaravelhos do junco podem adaptar a sua atividade genética de forma flexível às fases de desenvolvimento e às temperaturas ambientes dos seus hospedeiros
Muitos insectos vivem em simbiose com certas espécies de bactérias. Estas bactérias contribuem de forma importante para a nutrição, digestão, desintoxicação, reprodução e defesa dos seus hospedeiros. Devido à sua estreita coexistência com os insectos, os simbiontes perdem frequentemente genes para produtos metabólicos que também são fornecidos pelos seus hospedeiros ao longo da sua coevolução. Um exemplo disso são os simbiontes dos escaravelhos do junco, que mantêm um genoma muito pequeno, contendo apenas genes importantes para o desenvolvimento do escaravelho. Curiosamente, as larvas e os adultos do escaravelho têm dietas diferentes: as larvas sugam seiva de raiz pobre em aminoácidos, enquanto os adultos comem folhas e flores com paredes celulares difíceis de digerir. As bactérias simbióticas apoiam as larvas produzindo aminoácidos, complementando assim a sua dieta. Também apoiam os escaravelhos adultos produzindo uma enzima que decompõe as paredes celulares das plantas. No entanto, nem todos os simbiontes beneficiam ambas as fases de vida.
Serviços simbióticos variáveis prestados pelas bactérias
O Departamento de Simbiose de Insectos, dirigido por Martin Kaltenpoth, estudou mais detalhadamente os simbiontes dos escaravelhos do junco. Todos os escaravelhos do junco têm o mesmo simbionte. No entanto, a equipa de investigação descobriu que, em alguns casos, este simbionte tinha perdido a capacidade de produzir enzimas para quebrar a parede celular das plantas, que é difícil de digerir. Os cientistas levantaram a hipótese de a produção destas enzimas ser apenas benéfica para os escaravelhos adultos.
Há dois tipos de associação simbiótica entre os escaravelhos do junco. Por um lado, há espécies de escaravelhos em que o simbionte beneficia ambas as fases da vida; por outro lado, há aquelas em que apenas as larvas beneficiam diretamente do simbionte. Inicialmente, queríamos perceber se a expressão génica do simbionte corroboraria esta hipótese, e se a regulação da expressão génica pelo simbionte seria diferente entre espécies com um ou dois benefícios - e, dado o pequeno tamanho total do genoma, se essa regulação é sequer possível", diz a primeira autora Ana Carvalho, resumindo o foco inicial do seu estudo.
A atividade genética dos simbiontes dos escaravelhos do junco é adaptada às necessidades dos escaravelhos em diferentes fases do seu desenvolvimento.
Ana Carvalho e os seus colegas utilizaram sequenciação de RNA, ensaios de atividade enzimática e hibridação in situ por fluorescência (FISH) para examinar a expressão genética, a atividade digestiva dos escaravelhos e dos seus simbiontes, bem como a localização e a forma celular dos simbiontes em quatro espécies de escaravelhos do junco em diferentes fases de desenvolvimento.
"Descobrimos que o simbionte aumentou consistentemente a expressão de genes para a biossíntese de aminoácidos durante a fase larvar em quatro espécies de escaravelhos do junco. Também observámos uma coordenação entre a expressão de enzimas digestivas da parede celular do hospedeiro e do simbionte durante a fase adulta do hospedeiro, evidenciando como o ajuste fino da expressão genética do simbionte pode otimizar o fornecimento de benefícios do simbionte", diz Ana Carvalho.
A equipa não só foi capaz de detetar a expressão genética alterada em diferentes fases do desenvolvimento do escaravelho, como também utilizou técnicas de imagem para demonstrar que o simbionte muda a sua forma celular durante o seu ciclo de vida. Este facto pode estar relacionado com a alteração da sua função metabólica durante as fases larvar e adulta do escaravelho hospedeiro.
Plasticidade na expressão dos genes mesmo em condições ambientais alteradas
Como o foco das investigações era saber se o simbionte pode regular a sua expressão genética apesar do seu pequeno genoma, a equipa de investigação também examinou possíveis diferenças na resposta às flutuações de temperatura experimentadas pelos escaravelhos do junco durante o seu ciclo de vida. Para o efeito, os investigadores expuseram as larvas do escaravelho do junco a dois ciclos de temperatura diferentes durante um mês, com flutuações entre 12 °C e 8 °C e entre 22 °C e 14 °C, respetivamente. Apesar da grande redução do genoma e do aparelho regulador, surgiu um padrão claro de expressão genética dependente da temperatura. O simbionte foi capaz de ativar diferentes genes, dependendo da temperatura. Em condições de frio, por exemplo, o simbionte activou um mecanismo de stress que normalmente responde ao calor em bactérias de vida livre, mas que parece ter evoluído para responder ao stress de baixa temperatura neste caso.
Embora o estudo responda a muitas questões, também levanta outras. Que funções têm os restantes interruptores de genes dos simbiontes (factores de transcrição) e como são controlados certos genes na sua ausência? Porque é que os simbiontes mudam de forma e que benefícios isso traz para eles e para o seu hospedeiro? São necessárias mais experiências com escaravelhos de cana ou modelos de insectos-bactérias mais fáceis de estudar para esclarecer isto.
"As nossas descobertas revelam que pequenos genomas de simbiontes podem regular alguns processos muito importantes, demonstrando que um metabolismo regulado pode ser mantido com um conjunto mínimo de genes. Gostaríamos agora de obter uma compreensão mais fundamental de como funciona exatamente a coordenação metabólica entre o hospedeiro e o simbionte", resume Martin Kaltenpoth.
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