Insetti e batteri: un’accoppiata perfetta
Gli insetti sono probabilmente il gruppo animale di maggior successo sulla base dell’elevatissimo numero di specie esistenti e in considerazione dell’abbondanza di esemplari per ciascuna specie. Parte del successo degli insetti deve però essere attribuita ai numerosi batteri che vivono come simbionti obbligati o facoltativi all’interno degli insetti (endosimbionti) o al loro esterno (ectosimbionti) fornendo enzimi, aminoacidi essenziali ed antibiotici […]
Gli insetti sono probabilmente il gruppo animale di maggior successo sulla base dell’elevatissimo numero di specie esistenti e in considerazione dell’abbondanza di esemplari per ciascuna specie. Parte del successo degli insetti deve però essere attribuita ai numerosi batteri che vivono come simbionti obbligati o facoltativi all’interno degli insetti (endosimbionti) o al loro esterno (ectosimbionti) fornendo enzimi, aminoacidi essenziali ed antibiotici che “facilitano” la vita degli insetti.
La simbiosi può arrivare sino a batteri intracellulari che vanno a localizzarsi a livello di specifiche strutture definite batteriociti. In particolare, negli afidi, nelle psille, nelle formiche e nelle mosche tsetse i batteriociti sono la sede di produzione di numerosi nutrienti essenziali per la vita degli insetti tanto che i batteri da ospiti graditi diventano simbionti obbligati (o primari) dato che l’insetto dipende per questi alimenti dai simbionti non avendo alcuna possibilità di produrseli autonomamente. Il fatto di essere isolati nel batteriocita rende però meno probabile che questi batteri possano evolvere grazie al trasferimento orizzontale (ovvero al passaggio diretto di DNA tra batteri di specie o ceppi diversi) portando ad una stretta coevoluzione tra batteri ed insetti.
Il risultato di questa stretta (quasi intima) correlazione fa sì che anche i genomi di batteri ed insetti possano coevolvere con la possibilità che il genoma batterico subisca processi di erosione genomica ovvero la perdita di quei geni originariamente implicati nella sintesi di sostanze che i simbionti ricevono invece dagli insetti (1). Come segnalato al riguardo da Nancy Moran (2) in un recente lavoro pubblicato su Science esistono vere e proprie dinamiche di erosione del genoma dei simbionti presenti nei batteriociti, che vanno da un lato a rendere sempre più stretta la simbiosi e dall’altro a porre precise costrizioni all’evoluzione del genoma batterico e dei batteri che divengono quindi specializzati per pochi (o addirittura singoli) ospiti portando questi batteri a seguire (o talvolta a subire) il percorso evolutivo dell’ospite. In particolare il genoma dei simbionti obbligati è spesso di dimensioni ridotte, ha ridotti tassi di ricombinazione ed un numero ridotto di fattori di regolazione dell’espressione genica.
Inoltre, l’erosione del genoma spesso riguarda geni implicati in processi catabolici dato che queste funzioni vengono delegate all’insetto, mentre risultano molto conservati (in quanto sotto stretto controllo della selezione naturale) i geni implicati nei processi anabolici ovvero nella produzione non solo di ciò che serve ai batteri, ma anche di ciò che i batteri producono anche per gli insetti. Destino analogo possono avere anche endosimbionti extracellulari (3) come segnalato da Y. Kikuchi in alcune cimici ad indicare che tutti i batteri che vivono isolati (non solo perché intracellulari, ma anche perché accumulati in specifici organi o strutture anatomiche) tendono a subire erosione del genoma anche se in questo caso l’erosione non potrà riguardare i geni implicati nei processi anabolici e neppure quelli che permettono ai simbionti di non essere riconosciuti come estranei dal sistema immunitario degli insetti. Quanto detto sinora risulta ancora più interessante se si considera che è noto da qualche anno che numerosi geni batterici si sono trasferiti all’interno del genoma dell’ospite ad indicare che l’erosione del genoma batterico può essere stata accompagnata da un arricchimento di quello dell’insetto (4-5). Un esempio è stato recentemente segnalato anche su Pikaia in cui geni batterici sono stati ritrovati nel genoma di un afide.
L’evoluzione degli insetti ha potuto quindi basarsi su due strumenti in più, il trasferimento orizzontale e la simbiosi, portando gli insetti ad avere quell’elevatissimo potenziale evolutivo che la loro enorme ricchezza di specie oggi ben testimonia.
Mauro Mandrioli
(1) Feldhaar H, Gross R (2009) Genome de generation affects both extracellular and intracellular bacterial endosymbiont. J. Biology 8: 31 (doi:10.1186/jbiol129)
(2) Moran NA, McLaughlin HJ, Sorek R (2009) The dynamics and time scale of ongoing genome erosion in symbiotic bacteria. Science 323: 379-382.
(3) Kikuchi Y et al. (2009) Host-symbiont co-speciation and reductive genome evolution in gut symbiotci bacteria of acanthosomatid stinkbugs. BMC Biol 7:2.
(4) Hotopp JC et al. (2007) Widespread lateral gene transfer from intracellular bacteria to multicellular eukaryotes. Science 317: 1753-1756.
(5) Keeling PJ, Palmer JD (2008) Horizontal gene transfer in eukaryotic evolution. Nat Rev Genet 9: 605-618.
Biologo e genetista all’Università di Modena e Reggio Emilia, dove studia le basi molecolari dell’evoluzione biologica con particolare riferimento alla citogenetica e alla simbiosi. Insegna genetica generale, molecolare e microbica nei corsi di laurea in biologia e biotecnologie. Ha pubblicato più di centosessanta articoli su riviste nazionali internazionali e tenuto numerose conferenze nelle scuole. Nel 2020 ha pubblicato per Zanichelli il libro Nove miliardi a tavola- Droni, big data e genomica per l’agricoltura 4.0. Coordina il progetto More Books dedicato alla pubblicazione di articoli e libri relativi alla teoria dell’evoluzione tra fine Ottocento e inizio Novecento in Italia.
