W czasopiśmie „Microbiome” ukazał się artykuł naukowców z Instytutu Nauk o Środowisku Uniwersytetu Jagiellońskiego o nowatorskich badaniach mikrobiomu dzikich owadów, które rzucają nowe światło na niewidzialne relacje między insektami a bakteriami. W obliczu zmian klimatu i gwałtownego spadku liczby owadów zrozumienie ich mikrobiomu może pomóc przewidzieć, jak będą reagować na stres środowiskowy, choroby i skutki działalności człowieka.
Zespół naukowców z Instytutu Nauk o Środowisku UJ (Karol H. Nowak, Monika Prus-Frankowska, dr Michał R. Kolasa, dr Mateusz Buczek, dr hab. Piotr Łukasik), Norweskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii, Uniwersytetu Helsińskiego i Uniwersytetu Jyväskylä opracował przełomowe podejście do badania mikroorganizmów zamieszkujących ciała dzikich owadów.
Wyniki badań
Wyniki badań, opublikowane w prestiżowym czasopiśmie „Microbiome”, ujawniają niezwykłą różnorodność i złożoność relacji między bakteriami a ich owadzimi gospodarzami – zwłaszcza wśród tzw. „ciemnych taksonów” (ang. „dark taxa”), czyli grup bardzo licznych i różnorodnych, ale z przewagą trudnych do identyfikacji i często nieznanych nauce gatunków.
Owady, stanowiące ponad połowę wszystkich znanych gatunków na Ziemi, nie żyją samotnie. W ich ciałach i na ich powierzchni bytują niezliczone kolonie mikroorganizmów – bakterii i grzybów. Mikroorganizmy te tworzą dynamiczny ekosystem zwany mikrobiomem, gdzie wchodzą w interakcje między sobą, jak również z gospodarzem. Niektóre bakterie wspierają gospodarza, dostarczając mu niezbędnych substancji odżywczych, czy chroniąc przed pasożytami i patogenami, inne zaś potrafią manipulować jego rozmnażaniem, a nawet wpływać na ewolucję całych populacji.
Badania muchówek
Jednak mimo ogromnej roli mikrobiomu w świecie przyrody, dotąd większość badań mikrobiomu owadów skupiała się na wybranych modelowych gatunkach, takich jak pszczoły czy mszyce. Naukowcy postanowili spojrzeć szerzej – na setki gatunków muchówek z rodziny zadrowatych (Phoridae) zamieszkujących północną Szwecję. To owady niezwykle liczne, występujące niemal wszędzie – od lasów i bagien, po miasta i jaskinie, ale wciąż pozostają wyjątkowo słabo zbadane.
– Mimo iż nie przekraczają kilku milimetrów wielkości i mogą wydawać się mało charyzmatyczne, muszki zadrowate to jedna z najbardziej różnorodnych grup zwierząt na świecie. Wykorzystaliśmy je jako model naturalnego, wielogatunkowego zbiorowiska owadów – mówi Karol H. Nowak.
Nowatorski system analityczny
Badacze opracowali nowatorski system analityczny, który łączy kilka metod biologii molekularnej i bioinformatyki. Wśród kluczowych innowacji znalazły się: równoczesne sekwencjonowanie DNA owada i jego mikrobiomu; wykorzystanie tzw. „spike-inów” – syntetycznych fragmentów DNA, pozwalających szacować liczbę bakterii, zamiast stwierdzania jedynie ich obecności; użycie danych pozostałych z sekwencjonowania gospodarzy do uzyskania precyzyjniejszego wglądu w różnorodność i rozmieszczenie bakterii z rodzaju Wolbachia – najczęściej występujących symbiontów owadów na świecie; zastosowanie zaawansowanego modelowania statystycznego (HMSC), które pozwoliło zrozumieć, jakie czynniki – środowisko, gatunek, płeć czy genotyp gospodarza – kształtują mikrobiom owadów.
Zespół przebadał ponad 1800 osobników i zidentyfikował 186 gatunków muszek zadrowatych. Wykazano znaczne, nawet ponad 1000-krotne różnice w liczebności bakterii między osobnikami reprezentującymi nawet ten sam gatunek. Stwierdzono duże różnice w składzie mikrobiomu pomiędzy gatunkami i płciami. Okazało się, że bakterie, takie jak Wolbachia, tworzą bardzo specyficzne relacje z gospodarzami. Natomiast innym ważnym elementem mikrobiomu muszek były taksony znane także z mikrobiomu innych zwierząt i człowieka.
Co dały badania „ciemnych taksonów”?
Badania tych niepozornych muszek – klasycznego przykładu „ciemnych taksonów” – pokazują, jak niewiele jeszcze wiemy o przyrodzie wokół nas. Dzięki nowej metodzie naukowcy byli w stanie nie tylko zidentyfikować gatunki słabo poznanych owadów, ale też zrozumieć, jakie mikroorganizmy są z nimi związane i jak wyglądają ich wzajemne relacje.
W obliczu zmian klimatu i gwałtownego spadku liczby owadów zrozumienie ich mikrobiomu może pomóc przewidzieć, jak będą reagować na stres środowiskowy, choroby i skutki działalności człowieka. Badacze podkreślają, że ekosystemy to nie tylko organizmy widoczne gołym okiem, ale także miliony mikroskopijnych stworzeń, które z nimi współpracują lub rywalizują.
Nowe narzędzia opracowane przez zespół badaczy otwierają drogę do systematycznych, globalnych badań nad mikrobiomami zwierząt w środowisku naturalnym – nie tylko owadów, ale też innych grup organizmów.
