Bakterien Symbionten zersetzen Holz für Termiten binden auch atmosphärischen Stickstoff für sie • Alexey Gilyarov • Science News auf "Elemente" • Biologie, Genetik

Symbiotische Bakterien, die Holz für Termiten zersetzen, binden auch atmosphärischen Stickstoff für sie.

Termitensoldat Coptotermes formosanus. Soldaten beschützen die Kolonie. Sie bekommen kein Essen und können sich nicht selbst essen. Sie werden von arbeitenden Individuen gefüttert. Foto von www.entomology.msstate.edu

Bis vor kurzem blieb es ein Rätsel, wie Termiten es schaffen, zu leben (und sogar zu gedeihen), indem sie dasselbe Holz fressen. Es war bekannt, dass der Abbau der von ihnen konsumierten Zellulose durch Bakterien erfolgt – die intrazellulären Symbionten der Protozoen, die wiederum den Termiten-Darm bewohnen. Aber Zellulose ist ein schlechtes Nahrungsmittelsubstrat; außerdem kann es nicht als eine Quelle von Stickstoff dienen, welche Termiten in viel größeren Mengen benötigen, als es in Pflanzengeweben enthalten ist. Eine Gruppe japanischer Forscher, die sich mit der Genomzusammensetzung symbiotischer Flagellaten befassten, kam kürzlich zu einer erstaunlichen Schlussfolgerung. Zusammen mit den Genen, die für die Synthese von Cellulase verantwortlich sind, einem Enzym, das Zellulosemoleküle zerstört, sind Gene, die Enzyme kodieren, die für die Stickstofffixierung verantwortlich sind – die Bindung von freiem Stickstoff in der Atmosphäre N – im Genom.2 und sie in eine Form zu verwandeln, die nicht nur für die Bakterien selbst, sondern auch für Flagellaten und Termiten geeignet ist.

Menschen fern der Biologie verwechseln manchmal Termiten mit Ameisen, da sie beide eine koloniale Lebensweise führen, große Gebäude (Termitenhäuser und Ameisenhaufen) bauen, und darüber hinaus durch die Arbeitsteilung zwischen einzelnen Gruppen von Individuen gekennzeichnet sind: sie haben Arbeiter, Soldaten, und auch Nachkommenschaft-Weibchen (Königinnen) und Männchen produzierend.

Termite Erwachsene Coptotermes formosanus. Fotos von www.sdnr.org

Die Ähnlichkeit von Ameisen mit Termiten ist jedoch rein äußerlich bedingt durch die soziale Lebensweise, die in beiden Gruppen entstanden ist. In der Tat gehören diese Insekten zu verschiedenen, weit entfernt von verwandten, Ordnungen. Ameisen sind Hymenopteren, Verwandte von Wespen und Bienen. Termiten bilden eine besondere Ablösung und gehören im Gegensatz zu Hymenopteren zu Insekten mit unvollständiger Transformation (sie haben keine Puppe, und die Larve wird durch eine Reihe aufeinanderfolgender Häutungen mehr und mehr zu einem erwachsenen Insekt).

Termiten kommen nicht in gemäßigten, insbesondere nördlichen Breiten vor, aber sie sind in den Tropen extrem zahlreich, wo sie die Hauptkonsumenten von Pflanzenabfällen sind. Im Gegensatz zu vielen anderen Tieren können Termiten auf dem gleichen Holz ernähren – genauer gesagt, Faser (Zellulose),extrem schnell behandelt. Jede in den Tropen errichtete Holzkonstruktion unterliegt der zerstörerischen Wirkung von Termiten. Ein Haus, das keinen besonderen Schutz hat, kann in wenigen Jahren buchstäblich von Termiten gefressen werden.

Arbeitende Termiten, die Holz essen. Foto von www.hiltonpond.org

Forscher haben sich lange für die Frage interessiert, wie Termiten mit dem Abbau von Ballaststoffen fertig werden (schließlich galt das immer als Vorrecht von Bakterien und Pilzen!) Und wie können sie mit so wenig Nahrung umgehen? Lange Zeit glaubte man, dass bei der Verarbeitung von Faserstermiten die einfachsten – Vertreter einer speziellen Gruppe von Flagellaten, die den Darm von Termiten bewohnen – helfen. Aber später stellte sich heraus, dass die Flagellaten selbst die Hilfe von Endosymbionten benötigen – Bakterien, die in ihren Zellen leben (Endosymbionten bedeutet "in einer Zelle leben"), die Cellulase produzieren – ein Enzym, das Zellulose abbaut.

So ist dieses ganze symbiotische System auf dem Prinzip einer Matroschka aufgebaut: Es gibt Flagellaten im Darm einer Termite und Bakterien in einem Flagellaten. Termiten finden Nahrung (Pflanzenreste oder Holzbauten), zerkleinern Zellstoff und bringen ihn in einen feinen Zustand, in dem er Flagellaten aufnehmen kann.Dann werden Bakterien berücksichtigt, die innerhalb des Flagellats leben, und sie führen die hauptsächlichen chemischen Reaktionen aus, um das anfänglich schlecht essbare Produkt in eine vollständig verdauliche Form zu verarbeiten.

Ein großer Teil dieses Systems blieb jedoch unklar. Zum Beispiel war es unbekannt, wo Termiten den Stickstoff bekommen, den sie brauchen (und ihr relativer Gehalt in den Körpern von Tieren, einschließlich Termiten, ist signifikant höher als in Pflanzengeweben). Jüngste Studien japanischer Wissenschaftler haben diese Frage jedoch beantwortet.

Das Untersuchungsobjekt, Yuichi Hongoh und seine Kollegen vom RIKEN Advanced Science Institute, Saitama und anderen japanischen Forschungseinrichtungen, war ein symbiotisches System der Massenbeendigung in Japan Coptotermes formosanus. Diese Art, die die unterirdische Lebensweise leitet, ist als bösartiger Schädling bekannt, der Holzstrukturen, nicht nur in ihrer Heimat, in Südostasien, sondern auch in Amerika, wo sie versehentlich eingeführt wurde, massiv beschädigt hat. Mit kämpfen Coptotermes formosanus in Japan werden jährlich mehrere hundert Millionen Dollar ausgegeben, in den Vereinigten Staaten etwa eine Milliarde.

Pseudotrichonympha grassi – Vertreter der symbiotischen Protozoen (eine spezielle Gruppe von Flagellaten – Hypermastigin), die im Darm von Termiten leben. A – unter dem Mikroskop im Phasenkontrast. B – das gleiche, wenn mit einem fluoreszierenden Farbstoff gefärbt, den Kern enthüllt. C – Gleiches bei Verwendung der FISH-Methode (Fluoreszenz in situ Hybridisierung); in grün Bakterien werden sezerniert – intrazelluläre Protozoen-Symbionten, gelb – die Masse des verarbeiteten Holzes. Die Länge des Maßstabs beträgt 100 Mikrometer. Foto von zusätzlichen Materialien zu dem in Diskussion stehenden ArtikelWissenschaft

Rückwärtige Flagellaten Pseudotrichonympha grassii gehören zu der Gattung, deren Vertreter oft in verschiedenen Termiten leben, die das unterirdische Leben führen. Ungefähr hunderttausend Bakterien, die zu der Ordnung Bacteroidales gehören und den Codenamen "Phylotyp CfPt1-2" haben, befinden sich ständig in jedem Flagellat.

Pseudotrichonympha grassi bei starker Vergrößerung bei Verwendung von FISH – Färbung (Fluoreszenz in situ Hybridisierung). Grün Bakterien werden gefärbt – intrazelluläre Protozoen-Symbionten, gelb – die Masse des verarbeiteten Holzes. Die Länge des Maßstabs beträgt 10 Mikrometer. Foto von zusätzlichen Materialien zu dem in Diskussion stehenden ArtikelWissenschaft

Im Verlauf der Arbeit wurden Flagellaten aus dem Darmtrakt entfernt, ihre Zellmembranen wurden zerstört und jeweils 10 freigesetzt.3-104 endosymbiotische Bakterienzellen.Die resultierende Bakterienmasse wurde einer Amplifikation unterzogen (eine Erhöhung der Anzahl der Kopien der dort vorhandenen DNA-Moleküle), wonach nach spezifischen Gensequenzen gesucht wurde. In dem Ringchromosom, das 1.114.206 Basenpaare enthält, wurden 758 Sequenzen identifiziert, die vermutlich Proteine ​​codierten, 38 Gene der Transport-RNA und 4 Gene der ribosomalen RNA. Die entdeckte Menge von Genen ermöglichte die generelle Rekonstruktion des gesamten metabolischen Systems des endosymbiotischen Bakteriums.

Schema, das das System der symbiotischen Beziehungen in der Zelle des Flagellums zeigt Pseudotrichonympha grassiiin Darmtermiten leben Coptotermes formosanus. Äußere Kontur – das Lumen der hinteren Darmtermite; blau oval – Flagellenzelle; gelb symbiotisches Bakterium (CfPt1-2 Symbiont) wird innerhalb des Flagellates gezeigt. Die Holzpartikel aus dem Darm von Termiten werden von den einfachsten geschluckt und befinden sich weiter in der Nahrungsvakuole (Nahrungsvakuole), in der die Zellulose und die Hemizellulose aufgeschlossen werden. Die bei der Zersetzung von Cellulose entstehenden Monosaccharide und Wasserstoff werden als Energiequellen für die Stickstofffixierung verwendet (N2 Fixierung), die von Bakterien durchgeführt wird. Wie Stickstoffverbindungen hergeleitet werden, ist noch nicht geklärt. Abb. von zusätzlichen Materialien zu dem diskutierten Artikel inWissenschaft

Am auffälligsten war die Entdeckung von Genen, die für die Synthese jener Enzyme verantwortlich sind, die für die Stickstofffixierung notwendig sind – den Prozess der Bindung von atmosphärischem Stickstoff2 und verwandelte es in eine Form, die für den Körper geeignet ist. Insbesondere gab es Gene, die für die Synthese der Nitrogenase verantwortlich sind, dem wichtigsten Enzym, das eine starke Dreifachbindung im N-Molekül spaltet.2sowie Gene, die andere Proteine ​​codieren, die für die Stickstofffixierung notwendig sind.

Die Autoren der vorliegenden Arbeit stellen fest, dass die Fähigkeit von Termiten zur Stickstofffixierung bereits früher entdeckt wurde, es war jedoch nicht klar, welche symbiotischen Organismen dafür verantwortlich sind. Die Identifizierung von Genen, die für die Stickstofffixierung in den untersuchten endosymbiotischen Bakterien verantwortlich sind, war eine Überraschung, da diese Art der Stickstofffixierung früher bei Bakterien dieser Gruppe (Bacteriodales) nie beobachtet wurde. Zusätzlich zu binden N2 und übertragen Sie es auf NH3 Die untersuchten Bakterien sind offenbar in der Lage, jene Produkte des Stickstoffmetabolismus zu nutzen, die während des Metabolismus der einfachsten gebildet werden. Dies ist ein wichtiger Punkt, da die Bindung von N2 erfordert hohe Energiekosten, und wenn genügend Stickstofftermite in Lebensmitteln vorhanden ist, kann die Intensität der Stickstofffixierung reduziert werden.

Quelle: Yuichi Hongoh, Vineet K. Sharma, Tulika Prakash, et al. Genom einer Endosymbiontenkupplung N2 Fixierung auf Zellulolyse innerhalb von Protistenzellen in Termite Gut // Wissenschaft. 2008. V. 322. P. 1108-1109.

Alexey Giljarow


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