Bakterie symbiotyczne mieszkające wewnątrz komórek owadów mają najmniejsze genomy spośród znanych organizmów. Odkrycia dodatkowo zamętniają granicę między organellami komórkowymi a najbardziej skąpymi mikrobami w przyrodzie.
„Trudno powiedzieć, gdzie kończy się ten silnie zintegrowany symbiont, a zaczyna organella,” mówi Piotr Łukasik z Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie. „To bardzo zamazana granica”.
Plus odpowiedź: Planthoppers (cykadziki) to owady, które żyją wyłącznie z soku roślinnego i uzupełniają swoje odżywianie dzięki starożytnej relacji z bakteriami symbiotycznymi. Przez wiele milionów lat te mikroby ewoluowały, aby żyć w specjalizowanych komórkach w brzuchach cykadzików, produkując składniki odżywcze, których cykadziki nie mogą uzyskać ze swojej słodkiej diety. Wiele z tych bakterii jest całkowicie zależnych od swoich gospodarzy i pozwoliło swoim zestawom genetycznym ulec pogorszeniu do ułamka swojego pierwotnego rozmiaru.
Łukasik i jego koledzy interesowali się ewolucją tej relacji bakteria-owad i tym, jak maleją mogą być te genomu bakteryjne. Zespół pobierał próbki 149 osobników owadów z 19 rodzin cykadzików, ekstrahując DNA z tkanek brzusznych owadów. Naukowcy analizowali i sekwencjonowali DNA, odtwarzając genomy bakterii symbiotycznych Vidania i Sulcia.
Genomy bakterii były wyjątkowo małe. Długość genomu mierzona jest w liczbie par zasad, sekwencji sparowanych „liter” w kodzie genetycznym. Genomy bakteryjne miały mniej niż 181 000 par zasad. Dla porównania, genom ludzki ma miliardy par zasad.
Niektóre genomy Vidania miały zaledwie 50 000 par zasad, co jest najmniejszą znaną długością dla jakiegokolwiek organizmu. Wcześniej, najmniejszy był Nasuia, bakteria symbiotyczna, gospodarzona przez krewnych cykadzików, nazywanych wciornastkami, mierząca nieco ponad 100 000 par zasad.
Między innymi, genomy Vidania były na takiej samej skali, co te znalezione w wirusach, które nie są uważane za żywe: wirus za covid-19 ma genom o długości około 30 000 par zasad, na przykład. Niektóre z Vidania miały tylko około 60 genów kodujących białka, co jest jedną z najniższych liczb na rekordzie.
Bakterie ewoluowały ze swoimi gospodarzami owadami przez około 263 miliony lat, niezależnie ewoluując, osiągając niezmiernie małe rozmiary genomów w dwóch różnych grupach cykadzików. Jedną z niewielu rzeczy, które te bakterie robią, jest produkcja aminokwasu fenyloalaniny, który jest prekursorem chemicznym do tworzenia i wzmacniania egzoszkieletów owadów.
Łukasik i jego zespół uważają, że masowa utrata genów może mieć miejsce, kiedy owady jedzą nowe pokarmy z składnikami odżywczymi, które kiedyś dostarczały bakterie, lub kiedy przybywają tam więcej mikrobów, które przejmują te role.
Hiperłącze: Mitochondria, chociaż jest znane, że bakterie mającce symbiotykową relację z cykadzikami mają malejące genomy, ktore przypominają mitochodria i chloroplasty.
„Organella” to tylko słowo, więc dla mnie jest w porządku nazywać je organellami, jeśli ktoś chce je uwzględnić we definicji – powiedziała Nancy Moran z Uniwersytetu w Texasie w Austin, która nie brała udziału w badaniach. „Ale pozostają różnice w porównaniu z mitochondriami i chloroplastami”.
Mitochondria są znacznie starsze, powstały 1,5 miliarda lat temu lub nawet wcześniej, a ich genomy są jeszcze mniejsze – około 15 000 par zasad.
„Te symbionty żyją tylko w specjalistycznych komórkach gospodarzy, nie we wszystkich komórkach organizmu, tak jak to widzimy w mitochondriach i chloroplastach” – powiedziała Moran.
Łukasik uważa, że te bakterie i mitochondria są po prostu na różnych etapach ewolucyjnej „skali zależności” od swoich gospodarzy. Podejrzewa, że jeszcze mniejsze genomu symbiotycznych mogą być jeszcze do odkrycia.
