Fondamenti genetici dello sviluppo di una simbiosi

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 14014 (2023) Citare questo articolo

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Le interazioni mutualistiche tra organismi spesso mediano l'innovazione di tratti essenziali per mantenere la relazione. Tuttavia, la nostra comprensione di queste interazioni è stata ostacolata da vari ostacoli nello studio della genetica degli animali non modello. Per comprendere i meccanismi genetici attraverso i quali si sviluppano tali tratti, abbiamo esaminato la funzione dei geni senza respiro (btl), senza trachea (trh) e doublesex nello sviluppo di un nuovo organo portatore di funghi (micangio) che facilita una relazione obbligata tra fungo- allevamento di coleotteri ambrosia e partner fungini specifici. L'abbattimento genico mediante interferenza dell'RNA e la successiva visualizzazione della tomografia microcomputerizzata suggeriscono che btl e trh sono necessari per l'inizio della micangia e che la tubulogenesi potrebbe essere stata cooptata per lo sviluppo micangiale precoce.

La biologia evolutiva dello sviluppo cerca di affrontare domande fondamentali che circondano i meccanismi alla base dell'innovazione morfologica e dell'evoluzione verso una crescente complessità strutturale all'interno del piano corporeo. La cooptazione consente il riutilizzo dei geni fondamentali dello sviluppo in un nuovo contesto di sviluppo come l'integrazione dei geni delle appendici degli insetti nell'evoluzione delle macchie oculari delle farfalle1. Tra i molti esempi interessanti, sono di particolare rilevanza i nuovi tratti che possono aiutare a suddividere un simbionte microbico all’interno del corpo dell’animale ospite. Il calamaro bobtail hawaiano (Euprymna scolopes) e il suo simbionte Vibrio fischeri sono uno di questi consorzi in cui l'identificazione di bersagli genetici cooptati all'interno dell'organo luminoso del calamaro ha contribuito a decifrare l'identità e le origini evolutive di questa struttura2.

I coleotteri Ambrosia, che comprendono più di 3500 specie tra i veri punteruoli (Curclionidae), hanno formato indipendentemente partenariati nutrizionali obbligati con i funghi più di una dozzina di volte3. La loro capacità di trasportare simbionti fungini all'interno di organi specializzati, chiamati micangi, ha portato a numerose indagini sulla morfologia e sulla funzione. Tuttavia, al di fuori della ricerca filogenetica, pochi studi forniscono risorse genetiche molecolari4,5, e i meccanismi genetici e di sviluppo alla base dell'evoluzione ripetuta dei micangi sono ancora poco compresi. La Mycangia può essere trovata in una varietà di segmenti corporei con vari gradi di complessità; alcuni micangi si presentano come fosse poco profonde, mentre altri sono invaginazioni, tasche o tubuli più complicati3,6. Questo adattamento strutturale è associato a un cambiamento sia nella composizione nutrizionale delle larve che nella struttura della galleria natale all'interno degli ambienti legnosi rispetto ai loro parenti coleotteri che si nutrono del floema7. In quanto tale, la xilomicetofagia è essenziale per la nicchia ecologica definita dagli scarabei ambrosia e dalle loro simbiosi fungine7. Questa evoluzione verso la xilomicetofagia è avvenuta tra una grande diversità di partner fungini6; diversi associati nutrizionali che portano verso lo stesso punto finale strutturale e funzionale suggeriscono che queste strette relazioni nutrizionali possono guidare lo sviluppo specializzato all'interno dell'insetto ospite.

La caratteristica relativamente derivata della coltura fungina ha facilitato la capacità degli scarabei di prosperare in habitat legnosi impoveriti dal punto di vista nutrizionale, consentendo loro di utilizzare la lignocellulosa come una risorsa preziosa. Mentre il loro comportamento di perforazione del legno prende di mira principalmente alberi stressati o morenti, gli attacchi estesi agli alberi ospiti possono aggravarne il declino. Nel mondo globalizzato di oggi, l’introduzione di specie esotiche di coleotteri ambrosia aumenta la probabilità di nuove interazioni con alberi autoctoni, amplificando così il potenziale per la nascita di nuove associazioni ospiti. Di conseguenza, gli scarabei ambrosia sono emersi come un argomento significativo nei campi della patologia forestale e dell'entomologia. Inoltre, la diversità nella morfologia dei micangi e nelle relazioni simbiotiche con i partner fungini li rende molto intriganti dal punto di vista evo-devo. Qui abbiamo utilizzato la specie di coleottero ambrosia Euwallacea validus per studiare le basi genetiche dello sviluppo del micangia. Questa specie, introdotta negli Stati Uniti alla fine del 1900, è ampiamente disponibile negli Stati Uniti nordorientali. La femmina adulta di E. validus trasporta il suo simbionte nutrizionale primario, Fusarium oligoseptatum, presumibilmente in un paio di micangi preorali che si trovano medialmente all'interno della testa dietro le mandibole. Precedenti ricerche che risolvevano l'organizzazione interna dei micangi identificavano una seconda coppia di piccole sacche all'interno della testa, inferiori ai micangi primari e situate lateralmente vicino a ciascun occhio, ma non si estendevano alla caratterizzazione funzionale8. Le specie Euwallacea sono note anche per trasportare simbionti secondari (come Raffaelea subfusca e Graphium sp.) che si teorizza svolgano ruoli alternativi all'interno delle gallerie natali durante lo sviluppo9. È stato scoperto che altre specie di coleotteri ambrosia non solo sviluppano micangia multipli, ma possono anche segregare diversi simbionti in sacchetti separati6. La risoluzione che circonda il genere Euwallacea lascia molte domande senza risposta riguardo alle partnership periferiche, ma ha mostrato una relazione ad alta fedeltà tra questi coleotteri e Fusarium. L'esame e il campionamento basato sulla coltura di 250 femmine di E. validus hanno portato al recupero di funghi dal 99,2% degli individui campionati, indicando una solida conservazione dei micangi e della colonizzazione fungina nelle popolazioni selvatiche10,11.