Кубанский государственный технологический университет

Табачная белокрылка заражается симбиотическими бактериями через кормовое растение

16-01-2012

Табачная белокрылка Bemisia tabaci. Изображение с сайта www.ozanimals.com

Недавно было показано, что симбиотические бактерии из рода Rickettsia могут «манипулировать» своим хозяином, сельскохозяйственным вредителем белокрылкой Bemisia tabaci, повышая жизнеспособность и плодовитость самок и изменяя соотношение полов в их потомстве. До последнего времени считалось, что эти бактерии могут передаваться только от матери к детям. Однако молекулярные и цитологические исследования израильских ученых показали, что возможен горизонтальный перенос от одной белокрылки к другой через кормовое растение.

Более того, такие растения, как хлопчатник, паслен и базилик, могут служить резервуаром для переноса бактерий, что объясняет присутствие одних и тех же представителей Rickettsia у неродственных групп насекомых.

Передающиеся по материнской линии бактериальные симбионты чрезвычайно распространены среди различных представителей членистоногих. Бактерии из рода Rickettsia хорошо известны как патогенные микроорганизмы и возбудители инфекций человека. Они переносятся вшами, блохами и клещами. Однако бактерии из того же рода недавно были выделены и из некровососущих насекомых, в частности, из табачной белокрылки Bemisia tabaci. Белокрылки — близкие родственники тлей, и нетрудно догадаться, что среди них много сельскохозяйственных вредителей. Недавно было показано, что если табачная белокрылка заражена бактерией Rickettsia, то жизнеспособность и плодовитость самок резко возрастает, и, кроме того, эти самки производят на свет больше дочерей, чем сыновей (см.: Симбиотическая бактерия распространяется, заставляя зараженных самок рожать дочерей, «Элементы», 19.04.2011). Таким образом, бактерия повышает приспособленность своего хозяина.

До последнего времени считалось, что бактерии могут передаваться только от матери к детям. В то же время, присутствие близкородственных симбионтов у неродственных насекомых-хозяев предполагало наличие иных механизмов переноса бактерий. Биологи из нескольких университетов Израиля предположили, что возможен горизонтальный перенос бактерий насекомыми через кормовое растение. На эту мысль их навели работы по инфекционным болезням растений, вызываемым бактерией рода Spiroplasma, для которых показан горизонтальный перенос через насекомых. Эти бактерии находили как в гемолимфе (см. hemolymph) насекомых, так и во флоэме растений.

Чтобы проверить, передаются ли бактерии кормовым растениям белокрылок, авторы сажали насекомых, зараженных бактериями, на листья и держали их на растениях в течение 20 дней. В качестве кормовых растений использовали хлопчатник обыкновенный, паслен черный и базилик душистый. Затем проводился молекулярный анализ листьев методом ПЦР. В результате экстракции ДНК и амплификации трех генов — Pgt (фосфоглицеролтрансфераза), 16S rRNA и GltA (цитратсинтаза) — было показано, что ДНК бактерий присутствует в листьях, на которых кормились зараженные насекомые. Напротив, в листьях, на которых кормились незараженные белокрылки, ДНК бактерий не была выявлена (рис. 1).

Rickettsia в листьях паслена и базилика." border="0" width="600" height="372">

Рис. 1. Результаты ПЦР-амплификации ДНК бактерий Rickettsia в листьях паслена и базилика. (а) ПЦР с использованием праймеров GltA; (b) ПЦР с использованием праймеров 16S rRNA; (с) ПЦР с использованием праймеров Pgt. Образцы 1–8: листья паслена, которые не предлагали белокрылкам; 9–11: листья паслена, которые ели белокрылки, зараженные бактериями; 12–15: листья базилика, которые не предлагали белокрылкам; 16–17: листья базилика, которые ели белокрылки, зараженные бактериями; 18: отрицательный контроль; 19: положительный контроль. Изображение из обсуждаемой статьи в Proceedings of Royal Society B

Нужно было проверить, действительно ли бактерия, находящаяся в растениях, живая. Для этого, кроме ДНК, из листьев кормовых растений была также выделена РНК бактерий и синтезирована комплементарная ДНК, после чего был амплифицирован ген Pgt. В результате авторы показали наличие РНК бактерий в листьях, на которых кормились зараженные белокрылки, и отсутствие ее в листьях, поедавшихся незараженными белокрылками. Это означает, что на листьях находятся живые бактерии, которые синтезируют РНК.

Рис. 2. Флуоресцентная гибридизация in situ двух листьев хлопчатника c использованием зонда, специфичного для гена Pgt. (a, c) Флуоресцентный канал — видны только бактерии, (b, d) наложение каналов — видны бактерии и сами клетки. Видно, что бактерии концентрируются только во флоэме. Ph — флоэма, Xy — ксилема. Изображение из обсуждаемой статьи в Proceedings of Royal Society B

Авторам также удалось показать, в каких именно тканях растений концентрируются бактерии. Для этого они использовали методику флуоресцентной гибридизации in situ (см. fluorescence in situ hybridization). Опять-таки, симбионты были найдены только в тех листьях, на которых кормились зараженные белокрылки, и только во флоэме (рис. 2).

Наконец, чтобы проверить, могут ли белокрылки заражаться бактериями от кормового растения, авторы провели следующий эксперимент. На лист растения помещали маленький садок. Незараженных белокрылок помещали в этот садок, тогда как снаружи садка на тот же самый лист высаживались белокрылки, зараженные бактериями. Через 10 дней исследователи проверяли, заразились ли насекомые, которые сидели внутри садка. Оказалось, что в трех из пяти экспериментальных садков были обнаружены зараженные насекомые.

Итак, израильские биологи убедительно показали, что бактерии Rickettsia могут передаваться от одной белокрылки к другой через кормовое растение. Возможно, в этом отчасти кроется причина стремительного распространения Rickettsia в популяции B. tabaci в США (от 1% инфицированных особей в 2000г. до 97% в 2006 г.). Учитывая, что бактерии, во-первых, могут передаваться через растение неродственным видам насекомых, а во-вторых — манипулировать своим хозяином, повышая его жизнеспособность и меняя соотношение полов (как у белокрылки), эта работа приобретает важное научное и практическое значение.

Источник: Ayelet Caspi-Fluger, Moshe Inbar, Netta Mozes-Daube, Nurit Katzir, Vitaly Portnoy, Eduard Belausov, Martha S. Hunter, Einat Zchori-Fein. Horizontal transmission of the insect symbiont Rickettsia is plant-mediated // Proceedings of Royal Society B. Published online 23.11.2011.

Cм. также: Симбиотическая бактерия распространяется, заставляя зараженных самок рожать дочерей, «Элементы», 19.04.2011.

Варвара Веденина

‹‹