Слушания Национальной академии наук недавно опубликовали его результаты в Интернете. В статье под названием «Расширение генома за счет разделения клонов и сокращения генома у эндосимбионта цикад Hodgkinia» Маккатчеон и его команда обнаружили, что питательные симбионты, живущие внутри долгоживущих цикад, стали намного сложнее.
И это не обязательно хорошо для насекомых.Лаборатория Маккатчеона изучает симбиоз цикад, насекомых, питающихся соком, которые зависят от двух бактерий, Sulcia и Hodgkinia, для производства аминокислот — необходимых питательных веществ, необходимых для выживания. Взамен бактерии комфортно живут внутри цикады. Поскольку все трое разделяют роли в питании, выживание каждого члена симбиоза полностью зависит от двух других.
Итог: если насекомое теряет свои бактерии, оно умирает.В прошлом году Маккатчеон и его команда обнаружили, что у некоторых цикад бактерия Hodgkinia разделилась на два новых вида.
У этих насекомых еще была Sulcia, но они нашли два разных вида Hodgkinia. Таким образом, то, что раньше считалось трехсторонним или трехсторонним симбиозом, теперь оказалось на самом деле четырехсторонним симбиозом.
Заинтригованные этим открытием, исследователи копнули глубже.«Мы думали, что это странное бактериальное« видообразование »может быть связано с необычным жизненным циклом цикады, а не самой Ходжкинии», — сказал Маккатчеон.
Цикады уникальны среди насекомых благодаря своему изменчивому и долгому жизненному циклу. Самая короткоживущая цикада имеет продолжительность жизни два года, а самая долгоживущая — 17 лет.
«Мы предположили, что у Ходжкинии может появиться возможность разделиться на большее количество видов, если она будет жить в более долгоживущих цикадах», — сказал Маккатчеон.Это именно то, что они нашли. Исследователи начали с изучения генома и структуры клеток Ходжкинии у самых долгоживущих цикад — периодических цикад под названием Magicicada. Это 13- и 17-летние цикады, которые время от времени появляются в огромных количествах в Центральной и Восточной Америке — на самом деле, их огромное появление происходит прямо сейчас.
Они обнаружили, что действительно Hodgkinia разделилась на множество новых видов, вероятно, от 20 до 50 или около того.«Это настолько сложно, что сейчас сложно дать точный подсчет», — сказал Маккатчен.Ходжкиния, похоже, создала массивную и беспорядочную красоту геномов и клеток. Хотя роль Ходжкинии не изменилась, теперь требуется коллектив, чтобы выполнить задачу, которую когда-то выполняла одна ячейка.
В Magicicada оригинальные функции Ходжкинии делятся на более мелкие задания и роли. Однако многие или большинство этих новых геномов остаются в отдельных клетках.Что это значит для цикады? Хотя внутренняя бюрократия его бактерий вышла из-под контроля, выживание все еще зависит от симбиоза.
Теперь, вероятно, для выживания ему нужен весь геномный коллектив. Это означает, что у цикад симбиоз превратился из трехстороннего партнерства в партнерство, в котором участвуют десятки и десятки взаимодействующих и созависимых видов.
«Мы думаем, что эта сложность во многом является результатом неадаптивной эволюции, по крайней мере, с точки зрения цикады-хозяина», — сказал Маккатчеон. «Трудно представить себе ситуацию, когда цикаде лучше управлять 50 версиями Ходжкинии вместо одной. Мы думаем, что в долгоживущих цикадах цикада не может остановить расщепление Ходжкинии, и она либо должна справиться с этим. меняется или рушится весь симбиоз ».Работа Маккатчеона влияет на то, как мы думаем о наших собственных симбионтах, например, о митохондриях, обеспечивающих энергию в наших клетках, которые являются результатом очень старого бактериального симбиоза, а также о силах, которые диктуют структуру геномов в целом. .«Это дикое разнообразие в структуре генома характерно для митохондрий, и теперь мы наблюдаем его и у бактериальных симбионтов», — сказал Маккатчеон.
Это еще одна особенность, объединяющая симбионтов и органеллы, и понимание развития органелл имеет фундаментальное значение для понимания развития жизни. Поскольку органеллы возникли так давно, невозможно отследить конкретные события, которые позволили органелле стать такой, какой она является сегодня.
Изучая эволюцию Ходжкинии, исследователи в лаборатории Маккатчеона надеются получить представление о легендарном прошлом органелл, история которых с тех пор была стерта.