Ett forskarteam från Max Planck-institutet för kemisk ekologi i Jena och Max Planck-institutet för biologi i Tübingen har undersökt bladbaggarnas evolutionära framgång och upptäckt hur skalbaggarna, med hjälp av bakterier, hittade nyckeln till allt effektivare växters matsmältning.
Ett forskarteam från Max Planck-institutet för kemisk ekologi i Jena och Max Planck-institutet för biologi i Tübingen har undersökt bladbaggarnas evolutionära framgång, en av de artrikaste grupperna av växtätande djur på jorden. Forskarna visade att symbioser med bakterier har utvecklats upprepade gånger och oberoende i olika underfamiljer av bladbaggar och bidrar avsevärt till effektiv matsmältning av växtnäring. Dessa symbiotiska relationer ger också insikter i hur genetiskt material har utbytts mellan bakterier och skalbaggar. Studien belyser rollen av horisontell genöverföring, införlivandet av främmande bakteriellt genetiskt material i skalbaggens genom, vilket sannolikt härrör från tidigare symbioser. Sammantaget understryker studien vikten av mikrobiella partnerskap och genetiskt utbyte för bladbaggarnas anpassning till en födokälla som annars är svår att smälta, vilket underlättar deras evolutionära framgång.
Med mer än 50 000 beskrivna arter är bladbaggarfamiljen spridd över hela världen och står för ungefär en fjärdedel av den biologiska mångfalden hos alla växtätare. Bladbaggar livnär sig på nästan alla växtgrupper. De lever i rotzonen, i trädkronorna och till och med under vattnet. Många bladbaggar, såsom coloradopotatisk skalbagge, är ökända skadedjur. Deras artrikedom och globala utbredning illustrerar deras evolutionära framgång, vilket är desto mer anmärkningsvärt med tanke på att löv är en svårsmält födokälla och ger ett obalanserat utbud av näringsämnen.
Ett forskarteam från institutionen för insektssymbioser vid Max Planck-institutet för kemisk ekologi i Jena och forskningsgruppen för mutualism vid Max Planck-institutet för biologi i Tübingen har nu undersökt hur bladbaggar har övervunnit dessa näringsutmaningar under evolutionens gång. Använder olika arter av bladbaggar samma strategi, eller har de hittat olika sätt att uppnå sina näringsmål?
Nästan alla bladbaggar har införlivat främmande genetiskt material i sitt eget genom, vilket ansvarar för produktionen av enzymer som krävs för matsmältningen av växtcellväggskomponenter. Sådana enzymer inkluderar pektinaser, dvs. enzymer som bryter ner pektiner. För människor är pektiner osmältbara kostfibrer, medan många bakterier kan använda pektiner i sin ämnesomsättning. Ungefär hälften av bladbaggararterna lever i nära samarbete med symbiotiska bakterier. Dessa symbionter förser skalbaggarna med viktiga matsmältningsenzymer, vilket hjälper dem att bryta ner födoämnen. De förser ofta också skalbaggarna med vitaminer och essentiella aminosyror.
Från sina egna studier visste forskarna redan att skalbaggarna använder både pektinaser som ingår i skalbaggens genom och de som kodas av symbionter. "Dessa matsmältningsenzymer är avgörande för bladbaggarnas överlevnad. Fram till nu har vi dock bara haft fragmentarisk kunskap om vilka bladbaggar som behöver symbiotiska bakterier för matsmältning och vilka som inte gör det, och var skalbaggarnas pektinaser kommer från. Genom jämförande studier över alla bladbaggargrupper ville vi rekonstruera de evolutionära scenarier som ledde till det nuvarande spridningsmönstret", förklarar huvudförfattaren Roy Kirsch och förklarar syftet med studien.
Med stöd av nationella och internationella kollegor genomförde teamet genom- och transkriptomanalyser av 74 bladbaggararter från hela världen. Genom denna jämförande analys över alla underfamiljer av bladbaggar kunde forskarna förstå hur den nuvarande distributionen av skalbaggespecifika och symbiontkodade enzymer uppstod under evolutionens gång. "Vi kunde också visa att, i motsats till tidigare antaganden, förekommer fenomenet horisontell genöverföring, där främmande gener från bakterier införlivas i skalbaggens genom, ganska ofta. Både symbios och genöverföring har haft ett starkt inflytande på insekternas evolution", sammanfattar Roy Kirsch resultaten.
Analyserna visade också att den stora majoriteten av skalbaggsarter använder antingen sina egna pektinaser som förvärvats genom horisontell genöverföring eller pektinaser från sina bakteriella symbionter. Skalbagge- och symbiontpektinaser hittades dock inte tillsammans hos någon skalbaggesart.
"Den binära fördelningen av skalbaggar som kodar för pektinaser i sitt genom jämfört med de som förvärvar dem symbiotiskt är ett av studiens mest slående resultat. Ett sådant mönster väcker ytterligare frågor om hur horisontell genöverföring och symbios har format hur skalbaggar konsumerar och smälter löv, och de avvägningar som är förknippade med att outsourca en viktig metabolisk egenskap – det vill säga att överföra denna uppgift till en partner", förklarar Hassan Salem, chef för Max Planck Research Group Mutualisms.
Studiens resultat visar att utvecklingen av pektinaser är dynamisk och kännetecknas av en växling mellan horisontell genöverföring och upptag av symbionter. ”Denna process kan föreställas enligt följande: Under etableringen av en symbios ersätts ett skalbaggepektinas från en tidigare horisontell genöverföring av ett symbiontpektinas. Upptaget av en symbiont har fördelen att dess pektinas kan uppvisa nya aktiviteter eller vara mer effektivt, och ger också ytterligare fördelar, till exempel genom produktion av ytterligare matsmältningsenzymer eller essentiella näringsämnen. Skalbaggens egen pektinasgen behövs inte längre och går förlorad under evolutionens gång. Allt eftersom den symbiotiska interaktionen fortskrider kan symbiontens pektinasgen överföras till skalbaggens genom, och symbionten kan gå förlorad igen, men denna process behöver fortfarande undersökas mer i detalj”, säger Martin Kaltenpoth, chef för avdelningen för insektssymbioser.
ursprungliga publikation
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). Symbios och horisontell genöverföring främjar växtätning hos de megadiversa bladbaggarna. Current Biology. DOI: 10.1016/j.cub.2024.12.02
Läs också
Snabb genomanalys av en greyhound sätter nya standarder för forskning om artbevarande | Pugnalom
Schimpanser: Genetiska anpassningar skyddar mot malaria | Pugnalom
