Symbionty bakterii rozkładające drewno na termity wiążą również azot atmosferyczny • Alexey Gilyarov • Wiadomości naukowe o "elementach" • Biologia, genetyka

Symbiotyczne bakterie rozkładające drewno na termity wiążą również azot atmosferyczny.

Żołnierz termitów Coptotermes formosanus. Żołnierze chronią kolonię. Nie dostają jedzenia i nie mogą same jeść. Są karmione przez pracujące osoby. Zdjęcie z www.entomology.msstate.edu

Do niedawna pozostaje tajemnicą, jak termity potrafią żyć (a nawet rozkwitać), żywiąc się tym samym drewnem. Wiadomo było, że rozkład konsumowanej przez nie celulozy jest prowadzony przez bakterie – wewnątrzkomórkowe symbiotyny pierwotniaków, które z kolei zamieszkują jelito termitów. Ale celuloza jest złym substratem żywnościowym; co więcej, nie może służyć jako źródło azotu, którego termity potrzebują w znacznie większych ilościach niż zawarte w tkankach roślinnych. Jednak grupa japońskich naukowców, którzy podjęli się badania składu genomu symbiotycznych wiciowców, ostatnio doszła do uderzającego wniosku. Wraz z genami odpowiedzialnymi za syntezę celulazy, enzymem, który niszczy cząsteczki celulozy, geny kodujące enzymy odpowiedzialne za wiązanie azotu – wiązanie wolnego azotu w atmosferze N – znajdują się w genomie.2 i przekształcenie go w formę odpowiednią do użytku nie tylko przez same bakterie, ale także przez wiciowce i termity.

Ludzie z dala od biologii czasami mylą termity z mrówkami, ponieważ prowadzą one kolonialny styl życia, budują duże budynki (termity i mrowiska), a ponadto charakteryzują się podziałem pracy między poszczególnymi grupami jednostek: mają pracowników, żołnierzy, a także produkujące młode samice (królowe) i samce.

Dorosłych termitów Coptotermes formosanus. Zdjęcia z www.sdnr.org

Podobieństwo mrówek z termitami ma jednak charakter czysto zewnętrzny, ze względu na społeczny styl życia, który pojawił się w obu grupach. W rzeczywistości te owady należą do różnych, dalekich od pokrewnych, zamówień. Mrówki to błonkoskrzydłe, krewniaki os i pszczół. Termity tworzą specjalny oderwanie i, w przeciwieństwie do błonkoskrzydłych, należą do owadów z niepełną transformacją (nie mają poczwarek, a larwa poprzez serię kolejnych molt stopniowo staje się coraz bardziej podobna do dorosłego owada).

Termity nie występują w umiarkowanych, zwłaszcza północnych szerokościach geograficznych, ale są niezwykle liczne w tropikach, gdzie są głównymi konsumentami resztek roślinnych. W przeciwieństwie do wielu innych zwierząt, termity mogą żywić się tym samym drewnem – dokładniej włóknem (celuloza),załatwił bardzo szybko. Każda drewniana konstrukcja wzniesiona w tropikach podlega niszczycielskiej aktywności termitów. Dom, który nie ma specjalnej ochrony, może dosłownie zostać zjedzony przez termity za kilka lat.

Robocze termity jedzące drewno. Zdjęcie z www.hiltonpond.org

Badacze od dawna interesują się pytaniem: w jaki sposób termity radzą sobie z rozkładem błonnika (w końcu zawsze uznawano go za prerogatywę dla bakterii i grzybów!) A jak mogą nawet tak mało żywności? Przez długi czas wierzono, że w przetwarzaniu termitów błonnikowych pomagają najprostsi – przedstawiciele specjalnej grupy wiciowców zamieszkujących jelita termitów. Ale później okazało się, że same wici potrzebują pomocy endosymbiontów – bakterii żyjących w ich komórkach (endosymbiont oznacza "życie w komórce"), które produkują celulazę – enzym rozkładający celulozę.

Tak więc cały system symbiotyczny zbudowany jest na zasadzie lalki: wiciowce żyją w jelitach termitów, a bakterie wewnątrz wici. Termity znajdują pożywienie (szczątki roślinne lub drewniane budynki), rozdrabniają miazgę drzewną i doprowadzają ją do stanu, w którym mogą wchłaniać wiciowce.Następnie biorą pod uwagę bakterie żyjące wewnątrz wiciowca i przeprowadzają główne reakcje chemiczne w celu przetworzenia początkowo słabo jadalnego produktu w całkowicie strawną postać.

Jednak większość tego systemu pozostała niejasna. Na przykład nieznane było, gdzie termity uzyskują potrzebny im azot (a jego względna zawartość w organizmach zwierząt, w tym termitach, jest znacznie wyższa niż w tkankach roślinnych). Jednak ostatnie badania przeprowadzone przez japońskich naukowców pozwoliły odpowiedzieć na to pytanie.

Przedmiotem badań Yuichi Hongo (Yuichi Hongoh) i jego kolegów z Instytutu Badawczego w Saitama Ricken (RIKEN zaawansowane Science Institute, Saitama) i innych japońskich instytucji badawczych stało się symbiotyczny układ masowego termitów w Japonii Coptotermes formosanus. Gatunek ten prowadzi podziemny tryb życia, znany jako złośliwa zaraza wyrządza ogromne szkody dla konstrukcji drewnianych, nie tylko w swojej ojczyźnie, w Azji Południowo-Wschodniej, ale również w Ameryce, gdzie został on przypadkowo wprowadzony. Do walki Coptotermes formosanus w Japonii wydawane jest kilkaset milionów dolarów rocznie, aw Stanach Zjednoczonych około miliarda.

Pseudotrichonympha grassi – przedstawiciel symbiotycznego pierwotniaka (specjalna grupa wiciowców – hypermastigin) żyjącego w jelicie termitów. A – pod mikroskopem w kontraście fazowym. B – taki sam, gdy jest barwiony barwnikiem fluorescencyjnym, odsłaniając rdzeń. C – taki sam przy użyciu metody FISH (fluorescencja in situ hybrydyzacja); na zielono bakterie są wydzielane – wewnątrzkomórkowe symbionty pierwotniakowe, żółty – masa przetworzonego drewna. Długość paska skali 100 mikronów. Zdjęcie z dodatkowych materiałów do artykułu, o którym mowa wNauka

Wredne wiciowiec Pseudotrichonympha grassii należą do rodzaju, którego przedstawiciele często znajdują się w różnych termitach prowadzących podziemne życie. Około 100 tysięcy bakterii należących do rzędu Bacteroidales i mających nazwę kodową "phylotype CfPt1-2" stale znajduje się w każdej wici.

Pseudotrichonympha grassi przy dużym powiększeniu podczas stosowania barwienia FISH (fluorescencja in situ hybrydyzacja). Zielony bakterie są zabarwione – wewnątrzkomórkowe symbionty pierwotniakowe, żółty – masa przetworzonego drewna. Długość paska skali 10 mikronów. Zdjęcie z dodatkowych materiałów do artykułu, o którym mowa wNauka

W trakcie pracy wiciowce usunięto z jelita jelitowego, ich błony komórkowe uległy zniszczeniu, a 10 uwolniono z każdego z nich.3-104 endosymbiotyczne komórki bakterii.Powstałą masę bakterii poddano amplifikacji (wzrost liczby kopii obecnych tam cząsteczek DNA), po czym poszukiwano określonych sekwencji genów. W chromosomie pierścieniowym zawierającym 1 114 206 par zasad zidentyfikowano 758 sekwencji, które przypuszczalnie kodowały białka, 38 genów transportowego RNA i 4 geny rybosomalnego RNA. Odkryty zestaw genów umożliwił odtworzenie w ogólności całego układu metabolicznego endosymbiotycznej bakterii.

Schemat przedstawiający układ symbiotycznych zależności w komórce wici Pseudotrichonympha grassiiżyjący w termitach jelitowych Coptotermes formosanus. Kontur zewnętrzny – światło tylnego termitu jelitowego; niebieski owal – komórka wiciowata; żółty Symbiotyczna bakteria (symfiont CfPt1-2) jest pokazana wewnątrz wiciowca. Cząstki drewna z jelita termitów są połykane przez najprostsze i są dalej w wakuoli żywności (wakuole żywności), gdzie występuje liza celulozy i hemicelulozy. Monosacharydy i wodór powstający podczas rozkładu celulozy są wykorzystywane jako źródła energii do wiązania azotu (N2 fiksacja), którą przeprowadzają bakterie. Jak pochodne związków azotu nie są jeszcze jasne. Ryc. z dodatkowych materiałów do omawianego artykułu wNauka

Najbardziej uderzające było odkrycie genów odpowiedzialnych za syntezę tych enzymów, które są niezbędne do wiązania azotu – proces wiązania atmosferycznego N2 i przekształcenie go w formę odpowiednią do użytku przez ciało. W szczególności, istniały geny odpowiedzialne za syntezę azotuzy, najważniejszego enzymu, który rozszczepia silne potrójne wiązanie w cząsteczce N.2, jak również geny kodujące inne białka niezbędne do wiązania azotu.

Autorzy omawianej pracy zauważają, że zdolność termitów do wiązania azotu została już wcześniej wykryta, ale nie było jasne, które organizmy symbiotyczne są za to odpowiedzialne. Identyfikacja genów odpowiedzialnych za wiązanie azotu u badanych bakterii endosymbiotycznych była zaskoczeniem, ponieważ wcześniej ten typ wiązania azotu nigdy nie był obserwowany u bakterii z tej grupy (Bacteriodales). Oprócz wiązania N2 i prześlij ją do NH3 Badane bakterie są najwyraźniej zdolne do wykorzystania tych produktów metabolizmu azotu, które powstają podczas metabolizmu najprostszych. Jest to ważny punkt, ponieważ wiązanie N2 wymaga wysokich kosztów energii, a jeśli w żywności jest wystarczająco dużo termitów azotowych, można zmniejszyć intensywność wiązania azotu.

Źródło: Yuichi Hongoh, Vineet K. Sharma, Tulika Prakash, et al. Genom endosymbiontu sprzęgania N2 Utrwalanie do celulolizy w komórkach protista w żołądku termitów // Nauka. 2008. V. 322. P. 1108-1109.

Alexey Gilyarov


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: