Czy mizoandria może być zakaźna?

Bakterie to organizmy jednokomórkowe, które można znaleźć praktycznie na całym świecie: samo twoje ciało zawiera ich miliony, głównie żyjące spokojnie na skórze i w jelitach. Ale bakterie z rodzaju Wolbachia* mają specyficzną niszę: spędzają życie w komórkach owadów i innych stawonogów i są przenoszone wyłącznie przez żeńską linię zarodkową – komórki, które przekazują swój materiał genetyczny potomstwu.

To dobra strategia dla tych bakterii żyjących wewnątrz samicy żywiciela, ponieważ są one przenoszone na jej potomstwo przez odżywczą i chronioną cytoplazmę jaja (lepki roztwór wypełniający każdą komórkę). Ale bakterie w męskim gospodarzu są praktycznie skazane na zagładę: mają niewielkie szanse na przeniesienie, ponieważ plemniki prawie nie mają cytoplazmy. Z perspektywy Wolbachii gospodarze płci męskiej są niebezpieczną perspektywą. Ale te bakterie bezlitośnie i skutecznie radzą sobie z problemem: sprawiają, że samce stają się nieistotne lub po prostu się ich pozbywają.

Bakterie Wolbachia (jasne plamy) wewnątrz jaja pasożytniczej osy Trichogramma kaykai © Merijn Salverda i Richard Stouthamer , Microbe Wiki.

W przypadku niektórych much, chrząszczy, os, ciem, roztoczy i równonogów (pokrewnych stonogom) samce zakażone Wolbachią, kojarzące się z niezarażonymi samicami, nie są w stanie rozmnażać się, ponieważ bakterie zakłócają chromosomy ojcowskie, co skutkuje śmiercią embrionów. Nie ma tych konsekwencji przy kojarzeniem się z samicami noszącymi ten sam szczep Wolbachia. W rezultacie samice wolne od Wolbachii mają mniejsze szanse na reprodukcję, podczas gdy zakażone samice mogą rozprzestrzeniać bakterie w populacji. Ten proces, znany jako niezgodność cytoplazmatyczna, jest najczęstszym skutkiem wywoływanym przez Wolbachię.

Jest w tym jednak coś więcej. W przypadku niektórych motyli, pluskwiaków (Hemiptera) i równonogów bakterie zamieniają genetyczne samce w bezpłodne lub funkcjonalne samice, hamując produkcję hormonów, które wyzwalają rozwój męskich cech płciowych, proces znany jako feminizacja. Co ciekawe, feminizację można „wyleczyć” antybiotykami, które zabijają Wolbachię (np. Narita i in. , 2007. Applied and Environmental Microbiology 73: 4332–4341 ).

Sprytowi Wolbachii nie ma końca: wykorzystują one układ rozrodczy błonkoskrzydłych (pszczoły, osy i mrówki), w którym zapłodnione jaja zawierają dwie pary chromosomów i rozwijają się w samice, podczas gdy niezapłodnione jaja mają po jednej kopii każdego chromosomu i rozwijają się w samców. U niektórych pasożytniczych os liczba chromosomów w zakażonych męskich komórkach jajowych podwaja się. A więc voila, te jaja rozwijają się w samice, które rozmnażają się bezpłciowo, dając początek nowej generacji zakażonych klonów żeńskich, które mogą przenosić bakterie. I podobnie jak feminizację, aseksualność można „wyleczyć” traktując osy antybiotykami lub ciepłem, które zabija bakterie. W laboratorium podawanie antybiotyków przez kilka pokoleń powoduje, że populacje os powracają do trybu rozrodu płciowego (np. Stouthamer i in., 1990. Proceedings of National Academy of Sciences 87: 2424-2427).

Maleńka osa Trichogramma dendroliti składająca jaja w jajku ćmy. Niektóre gatunki z tego rodzaju są całkowicie żeńskie © Victor Fursov, Wikimedia Commons.

Wreszcie Wolbachia może uciekać się do zwykłego zabójstwa: zakażone samce niektórych chrząszczy i motyli giną w stadiach embrionalnych lub larwalnych, co powoduje, że populacje mają znaczną przewagę samic.

Mechanizmy wykorzystywane przez Wolbachię do manipulowania gospodarzami pozostają w dużej mierze nieznane i spekulacyjne, mimo że jest to gorący temat badawczy. Wolbachia przejmuje kontrolę nad rozmnażaniem swoich gospodarzy dla własnej korzyści, więc szybko rozprzestrzenia się w populacji, gdziekolwiek zostanie wprowadzona. 

To uczucie nienawiści do samców: populacje biedronki dwukropki (Adalia bipunctata) i omacnicy (Ostrinia furnacalis) składają się w większości z samic, ponieważ większość samców jest zabijana lub sfeminizowana przez Wolbachię © Entomart (L) i Kembangraps, Wikimedia Commons.

Możecie pomyśleć, że takie nagonki na samców to osobliwość; ale mylicie się. Szacuje się, że od 40 do 60% wszystkich gatunków stawonogów jest zarażonych Wolbachią. To niezwykłe liczby, biorąc pod uwagę, że bakterie te były nieznane do 1924 r., kiedy po raz pierwszy zidentyfikowano Wolbachia pipientis. A są tylko jednym z wielu mikroorganizmów powodujących aberracje płciowe u owadów.

Te fakty i liczby brzmią niepokojąco; czy Wolbachia może stanowić zagrożenie dla bezkręgowców? Silnie zniekształcone proporcje płci mogą zagrozić populacjom, a nawet całym gatunkom. Jednak dane z różnych badań sugerują, że te bakterie są symbiontami, co oznacza, że nawiązały bliski i trwały związek ze swoimi gospodarzami. I choć brzmi to nieprawdopodobnie, te żeńskie, szowinistyczne bakterie mogą być dobre: zdarzają się przypadki zwiększonej płodności, sprawności i odporności na niektóre wirusy u żywicieli zarażonych Wolbachią. Wolbachia może nawet być czynnikiem specjacji owadów (kiedy populacje ewoluują, stając się odrębnymi gatunkami). Jeśli dwie populacje zostaną zarażone różnymi typami Wolbachii, samce z jednej populacji mogą nie być w stanie zapłodnić samic z drugiej; z czasem te dwie populacje dzielą się na różne gatunki (Campbell i in., 1994. Insect Molecular Biology 2: 225-237).

Wpływ tych bakterii na ich gospodarzy został wykorzystany dla naszej korzyści. Wirusy takie jak denga, Zika, chikungunya i żółta febra mają trudności z namnażaniem się w komarach Aedes aegypti zarażonych Wolbachią. Tak więc naukowcy i organizacje zajmujące się zwalczaniem komarów hodują komary zakażone Wolbachią i wypuszczają je na obszary, na których występuje choroba przenoszona przez komary. Testy ze zmodyfikowanymi komarami wykazały znaczne zmniejszenie częstości występowania dengi w Singapurze, Brazylii i Indonezji. Potencjał zarządzania lub kontroli innych szkodników jest ogromny.

Gdy zarażone samce komara Aedes aegypti łączą się z dzikimi samicami, które są wolne od Wolbachii, ich jaja nie wykluwają się © Singapore National Environment Agency.

Biorąc pod uwagę powszechność występowania Wolbachii, nie można oczekiwać, że zapylacze wyjdą bez szwanku. Rzeczywiście, pszczoły miodne, trzmiele, kilka pszczół samotnic, osy i bzygi są nosicielami bakterii. Dane dla tych grup są wciąż skąpe, ale 66% rodzimych pszczół w Niemczech może być zarażonych (Gerth i in., 2011. Systematics and Biodiversity 9: 319-327). Bardzo niejasno rozumiemy implikacji zakażenia Wolbachią u zapylaczy, ale możemy założyć, że są one podatne na te same skutki, które występują u innych bezkręgowców, tj. niezgodność cytoplazmatyczną, feminizację, indukowaną partenogenezę i zabijanie samców. Tak wiele cech naszych gatunków zapylających, takich jak proporcje płci, biologia, ekologia, zachowanie, rozmieszczenie i filogeneza (ich historia ewolucyjna) mogło zostać ukształtowanych przez bakterie, a co najmniej bakterie, których działanie dopiero zaczynamy rozumieć, mogły wywierać na nie wpływ. Wolbachia jest dobrym przykładem ogromnego obszaru znanych niewiadomych w dziedzinie nauk przyrodniczych.

Gatunki amerykańskie N. giraulti i N. longicornis zakażone Wolbachią nie mogą się ze sobą rozmnażać, ale kiedy oba gatunki były leczone antybiotykami, kojarzenie międzygatunkowe dało potomstwo hybrydowe. Wynik ten sugeruje początkową specjację: izolacja reprodukcyjna jest już widoczna, podczas gdy bariery genetyczne nie zostały jeszcze utworzone (Bordenstein i in ., 2011. Nature 409: 707-710)

Samica pasożytnicza osa Nasonia. © ME Clark, Wikimedia Commons. 

Readers’ wildlife lesson

Why Evolution Is True, 14 października 2022

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska

*Żyjące w owadach Wolbachia składają się z dziesięciu grup filogenetycznych i nie ma zgody co do tego, czy są to rody, czy gatunki. Dlatego zwykle określa się je zbiorowo nazwą: Wolbachia. Zielone kropki pokazują rozmieszczenie Wolbachii w tkankach niektórych bezkręgowców © Pietri et al., 2016. MicrobiologyOpen 5: 923–936 .

Athayde Tonhasca Júnior jest brytyjskim entomologiem.