Mniej więcej teraz w rozmaitych stanach USA, olbrzymie roje cykad zaczynają gramolić się z ziemi. Te owady o czarnym ciele i czerwonych oczach pozostawały pod ziemią przez 13 lub 17 lat, pijąc soki z korzeni drzew. Kiedy po raz pierwszy stykają się ze światłem dziennym, poświęcają się tygodniom gorączkowego seksu i kakofonicznej pieśni, potem masowo umierają. Podziobią je ptaki, dorwą wiewiórki, rozgniotą buty i opony, ale nic z tego nie naruszy ich astronomicznej liczebności – i, być może, o to chodzi w ich długich pobytach pod ziemią i równoczesnym wyłonieniu się.
Dziwaczny styl życia cykady pozostawił ją także z innym dziedzictwem. Chodzi o bakterię, która żyje w ich ciałach i jest tak dziwaczna, że kiedy
John McCutcheonodkrył ją po raz pierwszy, sądził, że popełnił jakiś błąd techniczny.
Wiele owadów gości w swoich komórkach bakterie. Te „endosymbionty” są szczególnie częste wśród ożywiających się sokiem drzewnym owadów, takich jak cykady, i pomagają gospodarzom na tworzenie składników odżywczych, których nie mogą otrzymać ze swojego pokarmu. Niemal zawsze mają wyjątkowo małe genomy. Kiedy osiądą wewnątrz komórki owada, zostają izolowane od innych bakterii i ograniczone do małych populacji. Pozbawia je to możliwości tasowania lub nabywania genów i pozwala na nabudowanie się szkodliwych mutacji w ich DNA. Jeden po drugim ich geny rozłamują się i znikają, pozostawiając je ze skurczonymi, minimalnymi genomami.
McCutcheon jest jednym z niewielkiej grupy naukowców, którzy przez ostatnich 15 lat odszyfrowywali dziwaczne genomy wielu symbiontów owadzich. Kiedy rozpoczął pracę we własnym laboratorium na University of Montana, postanowił przyjrzeć się Magicicada tredicim – jednemu z 13-letnich gatunków cykady. Zrobił to, co robi się zazwyczaj: dokonał sekcji narządów, w których żyją bakterie, wydobył ich DNA, pociął je na fragmenty, zsekwencjonował odcinki i użył komputera, żeby zestawić te porcje w spójną całość.
Tylko że to nie działało. Sekwencje po prostu nie chciały ułożyć się elegancko. Wyglądało to, jakby ktoś wziął kilka podobnych, ale niepełnych układanek i wymieszał wszystkie kawałki razem. „To był taki bałagan – opowiada. – Myślałem, że coś poszło nie tak technicznie, ale nie umiałem zrozumieć, co”.
Skonsternowany przeszedł do innej cykady – południowoamerykańskiego gatunku o nazwie Tettigades undata. Znalazł tam jeszcze więcej dziwaczności. Zawierała ona bakterię o nazwie Hodgkinia, która jakoś rozdzieliła się na dwa odrębne gatunki wewnątrz swojego owadziego gospodarza. Jak pisałem w zeszłym roku, te gatunki potomne były jak dwie połówki swojego przodka. Każda straciła inne geny, więc indywidualnie każda jest bladym cieniem oryginalnej Hodgkinia, ale razem wzięte doskonale się uzupełniają.
Kiedy McCutcheon zrozumiał, co dzieje się w T.undata, nagle zrozumiał również, co dzieje się w 13-letniej cykadzie. Ona także zawierała symbionty Hodgkinia, które rozdzieliły się na odrębne linie rodowe – i to nie tylko dwie.
Doktoranci Matthew Campbell i James Van Leuven pokazali w końcu, że DNA z symbiontów cykady tworzy co najmniej 17 odrębnych kręgów. Nie jest jasne, czy każdy z nich przedstawia chromosom Hodgkinia, czy też cały własny genom Hodgkinia, ale przynajmniej cztery z nich znajdują się w różnych komórkach. Można zobaczyć to na ilustracji poniżej, gdzie kropki niebieskie, zielone, fioletowe i pomarańczowe reprezentują komórki, które mają tylko jeden z tych 17 kręgów.
Podobnie jak we wcześniejszym odkryciu, te kręgi uzupełniają się wzajemnie; dzielą zestawy genów do tworzenia składników odżywczych, które ważne są dla gospodarza, ale żaden z nich nie ma pełnego zestawu. Znajdują się także u innych gatunków cykad wieloletnich. I są, być może, tylko czubkiem góry lodowej: zespół z pewnością zidentyfikował 17 kręgów, ale prawdopodobnie owady mają ich więcej. „Gdybym miał zgadywać, powiedziałbym, że jest ich między 20 a 50 – mówi McCutcheon. – To niewiarygodne. To bałagan”.
Z punktu widzenia Hodginia jedna linia wyraźnie rozdzieliła się na kilka i jest to nieodwracalne. „To jest podstawowa definicja specjacji – mówi McCutcheon. – Dzieje się to w populacji bezpłciowej, ale linia jest rozłamana i nie powraca”. Jeśli jednak spojrzeć na to z punktu widzenia cykady, kolektywne symbionty nadal robią to samo, co oryginał. I chociaż porozdzielały swoje geny do oddzielnych komórek, cała ilość bakteryjnego DNA wzrosła. Każda część zmalała, ale kolektywnie ich genom powiększył się.
Czy więc kręgi Hodgkinia są różnymi gatunkami lub liniami? Czy genomem Hodgkinia jest suma kręgów w jednej cykadzie, czy też każda odrębna linia ma własny genom? Naprawdę trudno powiedzieć. „Problem polega na tym, że kiedy piszemy artykuł, musimy użyć słów, a słowa coś znaczą – mówi McCutcheon. – Jest bardzo trudno ponaklejać etykietki na to wszystko, a nie dam po prostu nowych nazw jak popadnie, bo nie sądzę, byśmy to wystarczająco dobrze rozumieli”.
Są tam także inne tajemnice. Cykada ma także innego bakteryjnego symbionta o nazwie Sulcia, który nie wykazuje żadnych oznak tej absurdalnej fragmentaryzacji. Jest tylko jedna Sulcia i jest taka sama we wszystkich komórkach cykady. Dlaczego ten mikrob pozostał w całości, podczas gdy jego sąsiad porozdzierał się? Nikt nie wie. Sensownym domysłem jest, że Hodgkinia ewoluuje dużo szybciej niż Sulcia i szybciej nabudowuje mutacje, które unieruchamiają jej geny.
A także, dlaczego Hodgkinia rozeszła się na wiele linii w cykadach, ale nie zrobiły tego inne symbionty w swoich gospodarzach? McCutcheon sądzi, że odpowiedź leży w długim życiu tych owadów. Większość pijących soki owadów ma szczęście, jeśli dożyje swoich pierwszych urodzin. Prowadzą krótkie, szybkie życie i jeśli ich symbionty nabywają szkodliwych mutacji, one i ich gospodarze padają ofiarą doboru naturalnego. W odróżnieniu od tego cykady żyją 2 do 19 lat i przez większość czasu ledwie się poruszają i niewiele rosną. Podczas tych powolnych lat ich symbionty nie są ważne i mają swobodę kumulowania szkodliwych mutacji, co nie wpływa na ich gospodarza ani nie podpada pod dobór naturalny – przynajmniej na krótką metę.
Długoterminowe perspektywy mogą nie być tak różowe. Partnerstwo z mikrobami często dostarcza zwierzętom niewiarygodnych i cennych sprawności – w tym wypadku, zdolności odżywiania się sokiem roślinnym bez niedoborów ważnych składników odżywczych. Ale wielka okazja niesie za sobą wielkie ryzyko. Kiedy gospodarz i bakteria stają się wzajem zależne od siebie, mogą wpaść w rodzaj pułapki symbiotycznej – lub, jak ujmuje to Nancy Moran, mogą wspólnie “spadać po spirali w norę króliczą”.
Weźmy Hodgkinia. Jeśli będzie dalej dzielić się na fragmenty i degenerować się, w końcu może być niezdolna do odżywiania cykady. “To wygląda, jakby wypadała z torów – mówi McCutcheon. – To jak obserwowanie katastrofy kolejowej lub wypadku wymierania w zwolnionym tempie. Zmieniło to mój sposób myślenia o symbiozie”.
Źródło: Campbell, Van Leuven, Meister, Carey, Simon, and McCutcheon. 2015. Genome expansion via lineage splitting and genome reduction in the cicada endosymbiont Hodgkinia. PNAS http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1421386112
The Slow Motion Symbiotic Train Wwreck of the 13-year Cicada
Not Exactly Rocket Science, 18 maja 2015
Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska
