Wiele owadów i innych zwierząt dziedziczy endosymbionty od rodziców, ale niemal wszystkie dziedziczą je od matki. Istnieje poważny powód takiego układu. Komórka jajowa jest duża. Jej jądro, które zawiera DNA, otoczone jest przestronną i rozległą cytoplazmą, która może pomieścić wiele bakterii. Komórka plemnikowa nie ma jednak cytoplazmy, a jej maleńka główka jest cała jądrem. Ten oszczędny kształt jest dobry do pływania, ale okropny jako miejsce do pakowania bakteryjnych skarbów rodzinnych. To dlatego samce niemal nigdy nie przekazują endosymbiontów swoim dzieciom, podczas gdy często robią to samice. Plemnik po prostu nie jest dobrym materiałem pakunkowym.
Spróbuj to jednak powiedzieć skoczkowi ryżowemu. Ten mały, zielony insekt jest poważnym szkodnikiem roślin ryżu w Azji Wschodniej i jego komórki pełne są co najmniej trzech gatunków bakterii. A jedna z nich Rickettsia – potrafi zainfekować plemniki insekta.
Kenji Watanabe i Hiroaki Noda z Krajowego Instytutu Nauk Agrobiologicznych odkryli, że niemal wszystkie komórki plemnikowe zawierają wiele kopii Rickettsii z aż do 23 mikrobów na główkę. Zespół nie ma pojęcia, jak bakteria się tam dostaje ani dlaczego jej obecność wydaje się w żaden sposób nie szkodzić lub unieruchamiać plemniki. Wiedzą jednak, że jeśli te zainfekowane plemniki zapładniają jajeczka, mogą przekazać kopie Rickettsii następnemu pokoleniu.
Ta unikatowa zdolność przekazania mikrobów przez plemniki może całkowicie zmienić zwykły stosunek między owadami i bakteriami. Ich partnerstwo jest dość proste, jeśli mikroby przekazywane są po kądzieli. Każdy osobnik dziedziczy jeden szczep mikroba i ko-ewoluują w eleganckim tandemie. Na przykład Buchnera żyje w komórkach mszyc i ko-ewoluowała z nimi przez ponad 150 milionów lat. Jeśli narysujesz drzewo genealogiczne szczepów Buchnery, będzie wyglądało niemal identycznie jak drzewo genealogiczne ich mszycowych gospodarzy.
U skoczka ryżowego jednak zarówno samce, jak samice mogą przekazać potomstwu Rickettsię, a więc każdy osobnik może mieć różne szczepy bakteryjne. „Podwójne zainfekowanie może wprowadzić konflikt w organizmie gospodarza”, kiedy szczepy współzawodniczą ze sobą, mówi Nancy Dunbar z University of Austin w Teksasie. Konflikty między nieszkodliwymi bakteriami potencjalnie mogą zaszkodzić gospodarzowi, ponieważ adaptacje, które pozwalają jednym mikrobom pokonać drugie, mogą czasami pozwolić im na wywoływanie choroby u gospodarza. Jeśli tak jest w tym wypadku, Rickettsia może przejść z roli nieszkodliwego (lub nawet dobroczynnego) partnera do roli wroga.
Przekazywanie mikrobów przez plemniki zmienia także bitwę między płciami. Niektóre endosymbionty są aktywnie wrogie wobec samców, ponieważ mogą szerzyć się tylko przez jajeczka, nie zaś przez plemniki. Bakteria Wolbachia potrafi czasami zabijać samców zanim się urodzą lub zamieniać je w samice. Może zmusić samice do rozmnażania się przez klonowanie, czyniąc samce zupełnie zbędnymi. Czasami używa subtelniejszej sztuczki zwanej “niekompatybilnością cytoplazmatyczną“, gdy niezainfekowane samice nie mogą kojarzyć się z powodzeniem z zainfekowanymi samcami. Znaczy to, że zainfekowane samice, które mogą kojarzyć się z kim chcą, mają przewagę nad niezainfekowanymi.
Ale te strategie antymęskie byłyby mniej użyteczne dla endosymbionta, który może być przekazany i przez jajeczko, i przez plemnik, jak to robi Rickettsia. Watanabe i Noda znaleźli na to pewne dowody: pokazali, że zainfekowane samce i niezainfekowane samice mają nieco mniej młodych niż jakakolwiek inna kombinacja partnerów. Wygląda to na niekompatybilność cytoplazmatyczną, ale jest bardzo łagodne w porównaniu do tego, co potrafi Wolbachia.
Jack Werren z Rochester University, który bada Wolbachię, mówi, że zespół japoński znalazł niezbite dowody przekazywania bakterii przez plemniki, ale ich badanie budzi także wiele pytań. Jak funkcjonuje Rickettsia wewnątrz jądra? I czy z tak łatwym dostępem do DNA gospodarza, manipuluje ona genami skoczka ryżowego?
I co robi Rickettsia wewnątrz gospodarza? Czy jest dobrotliwym pasożytem, czy też rzeczywiście jest pomocna? Wiele endosymbiontów zaopatruje gospodarzy w składniki odżywcze lub broni ich przeciwko pasożytom i chorobom. Na przykład mszyce nie mogą przeżyć bez Buchnery. Zdaje się jednak, że bez Rickettsii można się obyć. Kiedy Watanabe i Noda wyleczyli skoczki ryżowe z infekcji, dorosłe owady wydawały się czuć wyśmienicie.
Jak jednak wskazuje Werren, zespół badał niewielką liczbę owadów w laboratorium. Jest możliwe, że Rickettsia pomaga skoczkom ryżowym przez chronienie ich przed pasożytami, lub nawet przez detoksyfikację pestycydów w ich środowisku – ale te korzyści ujawniają się tylko w naturze.
Źródło: Watanabe, Yukuhiro, Matsuura, Fukatsu & Noda. 2014. Intrasperm vertical symbiont transmission. PNAS http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1402476111
Bug inherits microbes from dads sperm
Not Exactly Rocket Science, 5 maja 2014
Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska
Ed Yong
Mieszka w Londynie i pracuje w Cancer Research UK. Jego blog „Not Exactly Rocket Science” jest próbą zainteresowania nauką szerszej rzeszy czytelników poprzez unikanie żargonu i przystępną prezentację.
Strona www autora
