Polskie badania przesuwają granice życia. Odkryli rekordowo małe genomy

• Badacze z UJ i PAN opisali u piewików bakterie z genomem 50–52 tys. par zasad i ponad 60 genami.
• Skrajna redukcja wynika z wielomilionowej współpracy owadów z symbiontami i zmian w diecie.
• Wyniki opublikowano w "Nature Communications"; naukowcy widzą potencjał m.in. w ochronie roślin.

Współpraca owadów i mikroorganizmów trwa setki milionów lat, a u piewików doprowadziła do biologicznego ekstremum. Jak podaje Polska Agencja Prasowa, zespół z Wydziału Biologii UJ i Muzeum i Instytutu Zoologii PAN wykazał, że część ich symbiontów utraciła niemal wszystko poza absolutnym minimum potrzebnym do funkcjonowania. Badanie opublikowano w "Nature Communications" i dotyczy mikroorganizmów, które bez gospodarza nie przetrwają.

Piewiki to niewielkie pluskwiaki, żywiące się głównie sokiem roślinnym ubogim w aminokwasy. Z tego powodu zacieśniły współpracę z bakteriami, które dostarczają im brakujących składników. Dr hab. Piotr Łukasik z UJ zaznaczył, że wspólny przodek piewików miał takich symbiontów ponad 300 mln lat temu. Co więcej, ich ewolucja szła równolegle z gospodarzami. Zależność stała się tak silna, że oba organizmy funkcjonują jak jeden system.

Kluczowy wynik dotyczy bakterii Candidatus Vidania fulgoroidea. Naukowcy opisali genomy o wielkości 50–52 tys. par zasad DNA i ponad 60 genach kodujących białka. Dla porównania wolno żyjące bakterie potrzebują zwykle ponad tysiąc genów, a nawet mocno zredukowane symbionty mają ok. 150 genów. To rekord, jeśli pominąć organelle komórkowe, takie jak mitochondria i chloroplasty.

Badacze wskazują, że symbionty piewików w pewnych liniach rozwojowych zredukowały funkcje do minimum. W niektórych przypadkach Vidania zachowała tylko fragmenty szlaków metabolicznych i zdolność produkcji jednego aminokwasu – fenyloalaniny. Ten związek jest kluczowy, bo stanowi prekursor tyrozyny potrzebnej do budowy i utwardzania oskórka owadów. Bez tego piewiki nie mogłyby się prawidłowo rozwijać.

Dr Łukasik tłumaczy, że do skrajnego uproszczenia doprowadziła wyjątkowa kombinacja zdarzeń. W jednej linii do najstarszych symbiontów dołączyły kolejne mikroorganizmy, które przejęły część funkcji Vidania. W innej grupie zmiana diety na materiał grzybowy ograniczyła potrzebę syntezy wielu aminokwasów. Co ważne, różne procesy doprowadziły niezależnie do bardzo podobnej redukcji genomów.

Uproszczone genomy stawiają pytania o definicję organizmu i minimalny zestaw genów konieczny do życia. Autorzy widzą też praktyczne ścieżki. Lepsze rozumienie integracji komórka–symbiont może pomóc w badaniach nad chorobami mitochondrialnymi. W ochronie roślin możliwe byłoby celowane zaburzanie kluczowych interakcji u konkretnych szkodników zamiast używania środków o szerokim spektrum.

Zespół z Krakowa pracuje teraz nad przypadkami skrajnej fragmentacji genomów. Naukowcy podkreślają, że systemy symbiotyczne piewików otwierają wgląd w mechanizmy, które mogły prowadzić do powstania funkcji organelli komórkowych. Publikację "Convergent extreme reductive evolution in ancient planthopper symbioses" podpisali m.in. dr hab. Anna Michalik, dr hab. Piotr Łukasik, dr Diego Castillo Franco, dr Junchen Deng, Monika Prus-Frankowska oraz dr Adam Stroiński.

Źródło: PAP