I ricercatori dell’Istituto Max Planck di ecologia chimica di Jena, dell’Istituto di biologia Max Planck di Tubinga, in Germania, e di un consorzio di scienziati internazionali hanno esplorato il successo evolutivo degli scarabei fogliari, gli erbivori più diversi sulla Terra. Hanno dimostrato che le simbiosi con i batteri si sono evolute ripetutamente e indipendentemente in diversi lignaggi di coleotteri e contribuiscono in modo significativo alla digestione efficiente del cibo vegetale. Queste relazioni simbiotiche forniscono indizi su come il materiale genetico veniva scambiato tra batteri e coleotteri. I risultati principali evidenziano il ruolo del trasferimento genico orizzontale, l’incorporazione di materiale genetico batterico estraneo nel genoma dello scarafaggio, che si ritiene sia il risultato di simbiosi precedenti. Nel complesso, lo studio sottolinea l’importanza delle associazioni microbiche e dello scambio genetico nel modellare gli adattamenti dietetici degli scarabei fogliari, che hanno facilitato il successo evolutivo degli scarabei fogliari.
Con più di 50.000 specie descritte, la famiglia degli scarabei fogliari è distribuita in tutto il mondo e rappresenta circa un quarto della diversità delle specie di tutti gli erbivori. È possibile trovare coleotteri fogliari che si nutrono di quasi tutti i gruppi di piante. Vivono nella rizosfera, nella chioma e persino sott’acqua. Molti coleotteri fogliari, come lo scarabeo della patata del Colorado, sono noti parassiti. La ricchezza di specie e la distribuzione globale evidenziano il loro successo evolutivo, il che è particolarmente sorprendente dato che le foglie sono una fonte di cibo difficile da digerire e forniscono nutrienti sbilanciati.
I ricercatori del Dipartimento di simbiosi degli insetti dell’Istituto Max Planck per l’ecologia chimica di Jena e del Gruppo di ricerca sui mutualismi dell’Istituto Max Planck di biologia di Tubinga, in Germania, si sono ora chiesti come gli scarabei fogliari abbiano superato queste sfide alimentari nel corso dell’evoluzione. Diverse specie di coleotteri fogliari utilizzano la stessa strategia o hanno trovato altri modi per raggiungere il loro obiettivo nutrizionale?
Comprendere il ruolo del materiale genetico estraneo
Quasi tutti i coleotteri fogliari hanno incorporato nel loro genoma materiale genetico estraneo, responsabile della produzione di enzimi necessari per digerire i componenti della parete cellulare delle piante. Ad esempio, le pectinasi sono enzimi che scompongono le pectine, fibre alimentari indigeribili per l’uomo, ma metabolizzate da molti batteri. Circa la metà delle specie di coleotteri fogliari vivono in stretta associazione con batteri simbiotici. Questi simbionti forniscono agli scarafaggi importanti enzimi digestivi per aiutarli a scomporre i componenti del cibo. Spesso forniscono agli scarafaggi anche vitamine e aminoacidi essenziali.
I ricercatori sanno dai loro studi precedenti che gli scarafaggi utilizzano sia le pectinasi del loro genoma sia quelle codificate dai simbionti. “Questi enzimi digestivi sono essenziali per la sopravvivenza degli scarafaggi. Tuttavia, abbiamo solo una comprensione frammentaria di quali specie di coleotteri necessitano di batteri simbiotici per la digestione, quali no, e da dove provengono le pectinasi degli scarafaggi. Volevamo ricostruire gli scenari evolutivi ciò ha portato ai modelli di distribuzione odierni attraverso studi comparativi di tutti i gruppi di coleotteri fogliari,” spiega il primo autore Roy Kirsch.
Con il supporto di colleghi nazionali e internazionali, il team ha effettuato analisi del genoma e del trascrittoma di 74 specie di coleotteri fogliari provenienti da tutto il mondo. Attraverso questa analisi comparativa tra tutte le sottofamiglie di coleotteri fogliari, i ricercatori hanno potuto capire come si è evoluta l’attuale distribuzione degli enzimi dello scarabeo e degli enzimi codificati dai simbionti. “Siamo stati anche in grado di dimostrare che il trasferimento genico orizzontale, un fenomeno che descrive l’incorporazione di geni estranei provenienti dai batteri nel genoma, è abbastanza comune negli scarabei fogliari. Sia la simbiosi che il trasferimento genico orizzontale hanno fortemente influenzato l’evoluzione degli insetti”, afferma Roy Kirsch.
Evoluzione dinamica delle pectinasi
Le analisi hanno anche rivelato che la stragrande maggioranza delle specie di coleotteri utilizza le proprie pectinasi, acquisite attraverso il trasferimento genico orizzontale, oppure le pectinasi dei loro simbionti batterici. Tuttavia, le pectinasi dello scarafaggio e del simbionte non si sono mai verificate insieme in nessuna specie di coleottero.
“La distribuzione binaria dei coleotteri che codificano le pectinasi all’interno dei loro genomi rispetto a quelli che le acquisiscono in simbiosi rimane uno dei risultati più sorprendenti dello studio. Tale modello solleva ulteriori domande su come il trasferimento genico orizzontale e la simbiosi hanno modellato il modo in cui i coleotteri consumano ed elaborano il fogliame, e i compromessi associati all’esternalizzazione di un tratto metabolico chiave,” spiega Hassan Salem, che guida il gruppo di ricerca Max Planck sui mutualismi.
I risultati dello studio mostrano che l’evoluzione delle pectinasi è dinamica e caratterizzata dall’alternanza di trasferimento genico orizzontale e assorbimento da parte dei simbionti. “Potete immaginare questo processo come segue: quando viene stabilita una simbiosi, una pectinasi dello scarabeo derivante da un precedente trasferimento genetico orizzontale viene sostituita da una pectinasi simbionte. Il vantaggio di incorporare un simbionte è che la sua pectinasi può avere nuove attività o essere più efficiente, e il simbionte può anche fornire ulteriori benefici, come la produzione di altri enzimi digestivi o nutrienti essenziali. Il gene della pectinasi dello scarabeo non è più necessario e viene perso durante l’evoluzione l’interazione simbiotica progredisce, il gene della pectinasi del simbionte può essere trasferito nel genoma dello scarabeo e il simbionte può andare perduto, ma questo processo deve essere studiato più in dettaglio”, dice Martin Kaltenpoth, capo del Dipartimento per la simbiosi degli insetti.
Un percorso verso il successo evolutivo
I risultati mostrano come il ripetuto trasferimento genico orizzontale e l’instaurazione di simbiosi con i batteri abbiano consentito agli scarabei fogliari di adattarsi rapidamente a una dieta a base vegetale, contribuendo al loro notevole successo evolutivo.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
