Et forskerteam fra Max Planck-instituttet for kjemisk økologi i Jena og Max Planck-instituttet for biologi i Tübingen har undersøkt bladbillers evolusjonære suksess og oppdaget hvordan billene, ved hjelp av bakterier, fant nøkkelen til stadig mer effektiv plantefordøyelse.
Et forskerteam fra Max Planck-instituttet for kjemisk økologi i Jena og Max Planck-instituttet for biologi i Tübingen har undersøkt den evolusjonære suksessen til bladbiller, en av de mest artsrike gruppene av planteetende dyr på jorden. Forskerne viste at symbioser med bakterier har utviklet seg gjentatte ganger og uavhengig i forskjellige underfamilier av bladbiller og bidrar betydelig til effektiv fordøyelse av planteføde. Disse symbiotiske forholdene gir også innsikt i hvordan genetisk materiale har blitt utvekslet mellom bakterier og biller. Studien fremhever rollen til horisontal genoverføring, inkorporering av fremmed bakteriell genetisk materiale i billegenomet, som sannsynligvis stammer fra tidligere symbioser. Samlet sett understreker studien viktigheten av mikrobielle partnerskap og genetisk utveksling for bladbillers tilpasning til en matkilde som ellers er vanskelig å fordøye, og dermed letter deres evolusjonære suksess.
Med mer enn 50 000 beskrevne arter er bladbillefamilien distribuert over hele verden og står for omtrent en fjerdedel av det biologiske mangfoldet til alle planteetere. Bladbiller lever av nesten alle plantegrupper. De lever i rotsonen, i trekronene og til og med under vann. Mange bladbiller, som for eksempel Colorado-potetbillen, er beryktede skadedyr. Deres artsrikdom og globale utbredelse illustrerer deres evolusjonære suksess, noe som er desto mer bemerkelsesverdig med tanke på at blader er en vanskelig fordøyelig matkilde og gir et ubalansert utvalg av næringsstoffer.
Et forskerteam fra Institutt for insektsymbioser ved Max Planck-instituttet for kjemisk økologi i Jena og forskningsgruppen for mutualismer ved Max Planck-instituttet for biologi i Tübingen har nå undersøkt hvordan bladbiller har overvunnet disse ernæringsmessige utfordringene gjennom evolusjonen. Bruker forskjellige bladbillearter den samme strategien, eller har de funnet forskjellige måter å nå sine ernæringsmål på?
Nesten alle bladbiller har innlemmet fremmed genetisk materiale i sitt eget genom, som er ansvarlig for produksjonen av enzymer som er nødvendige for fordøyelsen av plantecelleveggkomponenter. Slike enzymer inkluderer pektinaser, dvs. enzymer som bryter ned pektiner. For mennesker er pektiner ufordøyelig kostfiber, mens mange bakterier kan bruke pektiner i stoffskiftet. Omtrent halvparten av bladbilleartene lever i nært samarbeid med symbiotiske bakterier. Disse symbiontene forsyner billene med viktige fordøyelsesenzymer, og hjelper dem dermed med å bryte ned matkomponenter. De forsyner ofte også billene med vitaminer og essensielle aminosyrer.
Fra sine egne studier visste forskerne allerede at billene bruker både pektinaser som er en del av billegenomet og de som er kodet av symbionter. «Disse fordøyelsesenzymene er avgjørende for bladbillenes overlevelse. Frem til nå har vi imidlertid bare hatt fragmentarisk kunnskap om hvilke bladbiller som trenger symbiotiske bakterier for fordøyelsen og hvilke som ikke gjør det, og hvor billenes pektinaser stammer fra. Gjennom sammenlignende studier på tvers av alle bladbillegrupper ønsket vi å rekonstruere de evolusjonære scenariene som førte til dagens distribusjonsmønster», forklarer hovedforfatter Roy Kirsch, og forklarer målet med studien.
Med støtte fra nasjonale og internasjonale kolleger utførte teamet genom- og transkriptomanalyser av 74 bladbillearter fra hele verden. Gjennom denne sammenlignende analysen på tvers av alle underfamilier av bladbiller, var forskerne i stand til å forstå hvordan den nåværende fordelingen av billespesifikke og symbiontkodede enzymer oppsto i løpet av evolusjonen. «Vi var også i stand til å vise at, i motsetning til tidligere antagelser, forekommer fenomenet horisontal genoverføring, der fremmede gener fra bakterier innlemmes i billegenomet, ganske ofte. Både symbiose og genoverføring har hatt sterk innflytelse på insektenes utvikling», oppsummerer Roy Kirsch resultatene.
Analysene viste også at de aller fleste billearter enten bruker sine egne pektinaser ervervet gjennom horisontal genoverføring eller pektinasene fra sine bakterielle symbionter. Imidlertid ble bille- og symbiontpektinaser ikke funnet sammen hos noen billearter.
«Den binære fordelingen av biller som koder for pektinaser i genomet sitt sammenlignet med de som tilegner seg dem symbiotisk, er et av de mest slående funnene i studien. Et slikt mønster reiser ytterligere spørsmål om hvordan horisontal genoverføring og symbiose har formet måten biller spiser og fordøyer blader på, og avveiningene knyttet til å outsource en viktig metabolsk egenskap – det vil si å overføre denne oppgaven til en partner», forklarer Hassan Salem, leder for Max Planck Research Group Mutualisms.
Resultatene fra studien viser at utviklingen av pektinaser er dynamisk og preget av en veksling mellom horisontal genoverføring og opptak av symbionter. «Denne prosessen kan tenkes slik: Under etableringen av en symbiose erstattes en billepektinase fra en tidligere horisontal genoverføring av en symbiontpektinase. Opptaket av en symbiont har fordelen at pektinasen kan utvise nye aktiviteter eller være mer effektiv, og gir også ytterligere fordeler, for eksempel gjennom produksjon av ytterligere fordøyelsesenzymer eller essensielle næringsstoffer. Billens eget pektinasegen er ikke lenger nødvendig og går tapt i løpet av evolusjonen. Etter hvert som den symbiotiske interaksjonen utvikler seg, kan symbiontens pektinasegen overføres til billegenomet, og symbionten kan gå tapt igjen, men denne prosessen må fortsatt undersøkes mer detaljert», sier Martin Kaltenpoth, leder for avdelingen for insektsymbioser.
opprinnelige utgivelsen
Kirsch, R., Okamura, Y., García-Lozano, M., Weiss, B., Keller, J., Vogel, H., Fukumori, K., Fukatsu, T., Konstantinov, AS, Montagna, M., Moseyko, AG, Riley, EG, Slipinski, A., Vencl, VC, Windsor, DM, Salem, H., Kaltenpoth, M., Pauchet, Y. (2025). Symbiose og horisontal genoverføring fremmer planteeting hos de megadiverse bladbillene. Current Biology. DOI: 10.1016/j.cub.2024.12.02
Les også
Rask genomanalyse av en greyhound setter nye standarder for forskning på artsvern | Pugnalom
Sjimpanser: Genetiske tilpasninger beskytter mot malaria | Pugnalom
