Eine duale Symbiose unterstützt die Kutikulabildung bei holzfressenden Käfern

Käfer sind in der Regel auf die Hilfe von bakteriellen Partnern angewiesen, um zu überleben. Diese Symbiosen können unterschiedliche Funktionen haben. Bakterielle Symbionten können dabei helfen, Pflanzenmaterial zu verdauen, die Käfer widerstandsfähiger gegen Pflanzenabwehr zu machen oder Käfern zusätzliche Nährstoffe als Anpassung an nährstoffarme Lebensräume bereitzustellen. Bei mehreren Käferarten wurde bereits beschrieben, dass ihre bakteriellen Verbündeten wichtige Bausteine ​​für die Bildung der Kutikula, des Außenskeletts der Insekten, liefern.

„Untersuchungen zur Bedeutung von Käfersymbionten für das Recycling von Stickstoff und die Synthese bestimmter Aminosäuren als Schlüsselkomponenten zur Stabilisierung der Kutikula sind ein noch junges Forschungsgebiet“, sagt Julian Kiefer von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) als Erster Autor der Studie.

Eine starke und robuste Kutikula als wichtige Anpassung an nachteilige biotische und abiotische Faktoren

Die Kutikula, ein harter Panzer aus vernetzten Protein- und Chitinpolymeren, ist die primäre Verteidigung von Insekten gegen Fressfeinde und Krankheitserreger, aber auch gegen averse abiotische Faktoren wie extrem trockene Umgebungen. Frühere Studien haben bereits die Bedeutung spezialisierter Symbiontenbeiträge zur Cuticula-Synthese von Käfern und Ameisen identifiziert. Die Entfernung oder Hemmung dieser Symbionten reduzierte die Kutikuladicke und machte Käfer anfälliger für Austrocknung, Raub und Angriff von Krankheitserregern.

Die aktuelle Arbeit untersuchte die Familie der Schneckenkäfer (Bostrichidae), die holz- und kornfressende Arten umfasst. Aus histologischen Zeichnungen, die vor einem Jahrhundert angefertigt wurden, war bekannt, dass einige Arten von Schlangenkäfern mit einem oder zwei bakteriellen Symbionten assoziiert sind, die in bestimmten Organen der Käfer vorkommen.

Um herauszufinden, welche wichtigen Stoffwechselprodukte die Symbionten den Käfern zur Verfügung stellen, hat das Forscherteam der Universität Mainz und des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie gemeinsam mit Partnern am National Institute of Advanced Industrial Science and Technology in Japan Genomsequenzen gewonnen aus verschiedenen Käferarten der Familie der Schneckenkäfer und deren symbiotischen Bakterien.

„Die größte Herausforderung für uns waren die Gattungen der Schlangenkäfer mit zwei Symbionten. Da sie relativ eng miteinander verwandt sind, war es schwierig, die Genome der beiden Symbionten zu trennen. lesen Sie Sequenzierungstechnologien, um diese Herausforderung zu meistern“, beschreibt Studienleiter Tobias Engl vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie das methodische Vorgehen.

Die Ergebnisse zeigen, dass fast alle Schlangenkäferarten mit symbiotischen Bakterien des Stammes Shikimatogenerans bostrichidophilus assoziiert sind. Dieser Symbiont wurde von einem gemeinsamen Vorfahren aller Schlangenkäfer erworben und wahrscheinlich in der ganzen Familie gepflegt. Es entwickelte sich zusammen mit dem Wirt des Käfers, um die Vorläufer der aromatischen Aminosäure Tyrosin zu produzieren. Im Gegensatz dazu ist der zweite Symbiont,

Bostrichicola ureolyticus wurde wahrscheinlich von den Vorfahren von nur zwei Unterfamilien innerhalb der Schneckenkäfer erworben – und ging innerhalb jeder Unterfamilie mindestens einmal verloren. Dieser Symbiont ist in der Lage, Stickstoff zu recyceln und eine weitere Aminosäure, Lysin, zu produzieren. Damit versorgt es den Wirt mit zusätzlichen Nährstoffen und ermöglicht ihm vermutlich, neue ökologische Nischen zu besiedeln. Stickstoff ist für die meisten Pflanzenfresser ein begrenzter und daher wertvoller Nährstoff.

Tyrosin und Lysin sind von besonderer Bedeutung für die Bildung eines starken und robusten Exoskeletts. Sie sind verantwortlich für die Vernetzung der Nagelhaut, geben ihr Festigkeit, aber auch für Pigmente, die die Nagelhaut färben und sie weniger wasserdurchlässig machen. Eine stärkere Kutikula schützt die Käfer besser vor natürlichen Feinden, aber auch vor Austrocknung in rauen oder extrem trockenen Lebensräumen.

Uralte Verbündete – ungewöhnliche duale Symbiosen

Die beiden entdeckten symbiotischen Bakterien in Schneckenkäfern stellen zwei der am stärksten spezialisierten Arten innerhalb der mit Insekten assoziierten Gruppe der Bacteroidota-Bakterien dar. Verwandte Mitglieder sind obligate Symbionten von Kakerlaken, Zikaden, Schildläusen und Wollläusen, behielten aber die Fähigkeit, eine breitere Palette von Nährstoffen zu synthetisieren. Die bei Schneckenkäfern entdeckte duale Symbiose ist jedoch aus mehreren Gründen ungewöhnlich.

„Duale Symbiosen sind bisher nur innerhalb der Zikaden und verwandter Insekten beschrieben worden. Sie beinhalten meist stammesgeschichtlich unterschiedliche Mikroorganismen, und der zweite Symbiont ersetzt in der Regel erodierte Stoffwechselfähigkeiten des älteren Symbionten“, erklärt Martin Kaltenpoth, Leiter der Abteilung Insektensymbiose am das Max-Planck-Institut für chemische Ökologie.

Im Gegensatz dazu ist diese Studie die erste, die einen Fall von dualer Symbiose mit eng verwandten Ernährungssymbionten in einer Käferfamilie zeigt. Hier scheinen die Käfer beide Bakterienpartner unabhängig voneinander erworben zu haben. Die konvergente Entwicklung einer Symbiose mit verschiedenen Bakterien zur Bereitstellung lebenswichtiger Komponenten für die Kutikulasynthese in den untersuchten Arten aus der Familie der Schneckenkäfer unterstreicht ihre Bedeutung für Käfer im Allgemeinen.

Die spezifischen Beiträge der bakteriellen Partner aus dieser dualen Symbiose stellen artspezifische Anpassungen dar, die es den Käfern ermöglichten, in ihren jeweiligen Nahrungsnischen zu gedeihen.

Die Studie ist erschienen in Das ISME-Journal.