Уникальный случай тройного симбиоза: вирус помогает бактерии защищать тлю от врагов

Многие насекомые буквально нашпигованы различными симбиотическими микробами. Симбионты помогают своим хозяевам решать многие жизненные задачи: от синтеза незаменимых аминокислот и витаминов до переваривания химически чистой целлюлозы, фиксации атмосферного азота и борьбы с сорняками на грибных плантациях (см. ссылки внизу).

В круг задач, выполняемых бактериями — симбионтами насекомых, входит и защита хозяев от опаснейших паразитов — наездников (о наездниках см. в заметке: Тлевые наездники эффективнее паразитируют на тлях, когда у них разная пищевая специализация, «Элементы», 25.09.2008). Именно эту роль взяла на себя гамма-протеобактерия Hamiltonella defensa, обитающая в клетках многих насекомых, питающихся растительными соками, в том числе тлей. Гамильтонелла, как и многие другие внутриклеточные симбионты, наследуется по материнской линии в ряду поколений насекомых-хозяев (бактерия проникает в яйца, откладываемые зараженной самкой).

Ранее было замечено, что разновидности (штаммы) гамильтонеллы различаются по своим защитным свойствам: одни обеспечивают надежную защиту гороховой тли (Acyrthosiphon pisum) от наездникаAphidius ervi, убивая до 80–90% личинок паразита, тогда как другие защищают хозяина гораздо хуже или не защищают вовсе. Кроме того, обнаружилось, что защитные свойства гамильтонеллы коррелируют с зараженностью бактерии вирусом-бактериофагом, получившим название APSE (A. pisum secondary endosymbiont). Известно несколько разновидностей этого вируса, причем в геноме каждой разновидности содержатся гены белков, токсичных для животных. Было высказано предположение, что именно эти токсины, закодированные в вирусном геноме, используются симбиотическим комплексом «тля—бактерия» для борьбы с общим врагом — личинками наездника. Это предположение косвенно подтвердилось в ходе сравнения защитных свойств трех штаммов гамильтонеллы, два из которых имеют в своем геноме встроенный геном разновидности вируса APSE-3, а третий не заражен вирусом. Оказалось, что первые два штамма обеспечивают очень высокий уровень защиты тли от наездника, а третий не обладает этим свойством.

Этих данных, однако, было недостаточно для того, чтобы считать роль вируса APSE в защите тли от наездника доказанной. Дело в том, что в данном симбиотическом комплексе участвуют трое — тля, бактерия и вирус; у каждого из трех компонентов есть свой собственный геном, причем каждый из трех геномов существует в виде множества вариаций. Поэтому, например, если комплекс «тля + бактерия + вирус» защищен от паразитов, а комплекс «тля + бактерия» — нет, то причиной может быть не только присутствие или отсутствие вируса, но и генетические различия между штаммами (линиями, клонами) бактерий и тлей. В принципе, наличие вируса в геноме тех штаммов бактерии, которые защищают тлю от наездников, может оказаться случайным совпадением.

Чтобы строго доказать роль вируса во взаимовыгодном сотрудничестве бактерии и тли, нужно было получить генетически чистые линии тлей и бактерий, различающиеся только наличием или отсутствием в бактериальном геноме встроенного фага APSE.

Именно это и сделали американские энтомологи из университетов Джорджии и Аризоны, опубликовавшие результаты своих исследований в последнем номере журнала Science. Чистую линию (клон) генетически идентичных тлей получить нетрудно, так как тли способны размножаться партеногенетически: самки откладывают неоплодотворенные яйца, из которых вылупляются точные генетические копии матери. Нетрудно получить и генетически идентичных тлей, различающихся только наличием или отсутствием гамильтонеллы. Для этого достаточно «вылечить» часть клона от симбиотической бактерии при помощи антибиотиков. Намного труднее получить генетически идентичных бактерий, различающихся только наличием или отсутствием встроенного фага. Понятно, что никакими антибиотиками встроенный вирусный геном из бактериальной хромосомы не выскрести. И вот тут ученым просто повезло. Они обнаружили, что гамильтонеллы в череде поколений иногда случайно «теряют» встроенного фага в результате делеции (см. deletion).

Это позволило ученым вывести три линии генетически идентичных тлей: 1) с гамильтонеллой, зараженной вирусом APSE-3, 2) с точно такой же гамильтонеллой, но без вируса; 3) без гамильтонеллы. Этих тлей отдавали «на растерзание» наездникам Aphidius ervi, которые откладывали в них свои яйца. Затем ученые подсчитывали в каждой из трех линий процент выживших личинок наездника (который равен проценту погибших тлей, так как в каждую тлю наездник откладывает одно яйцо, после чего выжить может только кто-то один: либо тля, либо личинка наездника).

В первой из трех линий личинки наездника сумели погубить лишь около 6% тлей, во второй и третьей — около 80%. Эти результаты доказывают, что вирус APSE действительно необходим для защиты тли от наездника.

Интересно, что содержание в своем теле защитных симбионтов не является «бесплатным удовольствием» ни для тлей, ни для бактерий. Ранее было показано, что при выращивании в лаборатории в отсутствие наездников тли, не зараженные гамильтонеллой, размножаются успешнее зараженных, и в результате со временем популяция тлей может полностью освободиться от бактерии. То же самое происходит и в паре «бактерия—вирус»: оказалось, что гамильтонеллы в лабораторных линиях полностью освобождаются от вируса за 3–4 года. Разумеется, ситуация меняется на обратную, если тли регулярно подвергаются нападению наездников. В этом случае естественный отбор благоприятствует как распротранению гамильтонеллы в популяции тлей, так и распространению вируса APSE в популяции гамильтонелл.

Ранее «Элементы» рассказывали о том, как Наездники подавляют иммунную защиту своих жертв при помощи прирученных вирусов («Элементы», 19.02.2009). Теперь выясняется, что в «эволюционной гонке вооружений» (evolutionary arms race) наездников и их жертв симбиотические вирусы участвуют в игре на обеих сторонах. Фактически, насекомые ведут друг с другом настоящую «вирусологическую войну».

Данное исследование интересно тем, что в нем впервые продемонстрирована роль бактериофагов в регулировании мутуалистических (взаимовыгодных) отношений между симбиотическими бактериями и их хозяевами. Ранее был уже описан случай, когда вирус делает возможным взаимовыгодное сотрудничество между грибом и растением (см.: Растение, гриб и вирус объединились, чтобы втроем противостоять высоким температурам, «Элементы», 29.01.2007), но у бактериофагов такие способности ранее не были известны. С другой стороны, известен ряд случаев, когда бактериофаги помогают патогенным бактериям (например, холерному вибриону) в их борьбе с защитными системами хозяев.

Исследование еще раз показало, что посредством вирусов бактерии могут очень быстро приобретать новые полезные для себя свойства. Это может иметь далеко идущие экологические последствия — особенно если бактерия вовлечена в тесные мутуалистические или антагонистические взаимоотношения с другими организмами. Не исключено, что та поразительная скорость, с которой насекомые приспосабливаются к новым условиям (например, к новым кормовым растениям) или вырабатывают устойчивость к ядам, отчасти объясняется деятельностью фагов, проводящих разнообразные генно-инженерные эксперименты на бактериях — симбионтах насекомых.

Источник: Kerry M. Oliver, Patrick H. Degnan, Martha S. Hunter, Nancy A. Moran. Bacteriophages Encode Factors Required for Protection in a Symbiotic Mutualism // Science. 2009. V. 325. P. 992-994.

См. также:
Про участие вирусов в межвидовых взаимоотношениях:

• Наездники подавляют иммунную защиту своих жертв при помощи прирученных вирусов. «Элементы», 19.02.2009.
• Растение, гриб и вирус объединились, чтобы втроем противостоять высоким температурам. «Элементы», 29.01.2007.

• Клопы кормят свое потомство полезными бактериями, «Элементы», 13.10.2006.
• Муравьи-листорезы приручили бактерий для борьбы с вредителем, «Элементы», 25.01.2006.
• Бактерии-симбионты, разлагающие для термитов древесину, еще и связывают для них атмосферный азот. «Элементы», 11.12.2008.
• Прочтен самый маленький геном, «Элементы», 16.10.2006.
• Симбиотические бактерии помогают жукам выращивать съедобные грибы. «Элементы», 09.10.2008.
• Способность тлей приспосабливаться к колебаниям температуры зависит от симбиотических бактерий. «Элементы», 13.04.2007.

• Интервью с Константином Севериновым.
• Разрушая бактериальные клетки, вирусы активно участвуют в круговороте веществ в глубинах океана, «Элементы», 03.09.2008.

Александр Марков