Детеныши клопов вынуждены играть в «рулетку», чтобы вовремя найти бактерий-партнеров для выживания

Для многих насекомых жизнь зависит не только от пищи, температуры и защиты от хищников, но и от невидимых союзников — симбиотических бактерий. Эти микроорганизмы помогают хозяевам расти, развиваться и выживать. Однако прежде чем такое сотрудничество начнется, насекомое должно получить своего симбионта. Иногда полезные бактерии передаются от родителей потомству, но в других случаях молодым особям приходится искать их самостоятельно. И если они не успевают сделать это вовремя, последствия могут быть смертельными.

Новое исследование, опубликованное в журнале Frontiers in Microbiology, показало, что для клопов-листовидок вида Leptoglossus zonatus поиск обязательного бактериального симбионта похож на опасную игру в рулетку. Эти насекомые должны вовремя получить бактерии Caballeronia, иначе их шансы на нормальное развитие резко снижаются.

По словам первого автора исследования Лиама Салливана, аспиранта Университета Аризоны, ученые показали, что получение бактерии Caballeronia через заглатывание ограничено по времени. Если молодые клопы не находят и не получают этого микробного партнера достаточно рано, у них падает выживаемость, уменьшается вес во взрослом состоянии и увеличивается время развития до взрослой особи.

Соавтор работы, профессор энтомологии Университета Аризоны Молли Хантер, отмечает, что клопы-листовидки необычны среди насекомых. Они зависят от обязательного симбионта, но получают его не от родителей, а из окружающей среды. При этом на доступность нужных бактерий влияют сухость, солнечное излучение и кислотность почвы. Поэтому поиск симбионта действительно превращается для молодых насекомых в своеобразную лотерею.

Клопы-листовидки проходят пять ювенильных стадий, которые называются нимфальными возрастами, или инстарами, прежде чем стать взрослыми. Нимфы вылупляются в кронах деревьев, тогда как их бактериальные симбионты обычно обитают в почве. Это означает, что сразу после появления на свет молодые насекомые оказываются далеко от микробов, без которых не могут нормально жить.

После вылупления начинается гонка со временем. Маленьким нимфам, размер которых составляет всего несколько миллиметров, нужно добраться из кроны дерева до земли. Это опасное путешествие: по дороге их могут съесть хищники, а сам путь требует много энергии. Но отказ от поиска бактерий тоже не является вариантом — без симбионта эти насекомые плохо развиваются и часто погибают.

Чтобы проверить, насколько опасна задержка в получении симбионта, исследователи провели лабораторный эксперимент. Клопов выращивали на растениях вигны, а затем кормили арахисом. Когда нимфы достигали второго возраста, им давали бактерии Caballeronia либо сразу в день линьки, либо с задержкой — каждые четыре дня после этого. Контрольная группа вообще не получала симбионта.

Результаты показали, что у клопов существует ограниченное «окно возможностей». Если бактерии попадали в организм в день перехода ко второму возрасту или через четыре дня, выживаемость оставалась высокой — около 86% и 89% соответственно. Но уже при задержке в восемь дней она снижалась до 63%. После этого показатели падали еще сильнее. В контрольной группе, где насекомые не получали симбионта, выжило только 29% особей.

Задержка влияла не только на выживаемость, но и на скорость развития. Нимфы, получившие бактерии сразу, становились взрослыми примерно через 22 дня. Те, кто получил симбионта через четыре дня, развивались около 24 дней. При восьмидневной задержке развитие занимало уже 27 дней.

У немногих выживших клопов из контрольной группы развитие заняло на 57% больше времени по сравнению с теми, кто получил бактерии сразу. Многие особи, которым симбионта предлагали только спустя 16 дней или позже, вообще не смогли успешно его приобрести. Кроме того, позднее получение бактерий ограничивало развитие специального органа в средней кишке, где должны жить микробные партнеры.

Возникает вопрос: почему такая рискованная система вообще возникла в ходе эволюции? Ведь для насекомого она опасна и энергетически затратна. Ученые объясняют, что клопы-листовидки — лишь один из многих видов насекомых, связанных с бактериями Caballeronia. Вероятно, такие отношения появились очень давно, еще до разделения этих насекомых на современные группы и семейства.

По словам Молли Хантер, точный путь возникновения такой зависимости пока трудно восстановить. Однако у получения симбионта из окружающей среды могут быть преимущества. Например, насекомое может приобрести бактерию, уже адаптированную к местным условиям. Это способно повышать его приспособленность и шансы на выживание в конкретной среде.

Иными словами, система рискованна, но не обязательно невыгодна. Если бы затраты всегда превышали пользу, такие насекомые не смогли бы успешно распространяться и эволюционировать. Однако многие группы, связанные с Caballeronia, разнообразны и многочисленны, что говорит о том, что преимущества часто перевешивают опасности.

Авторы исследования подчеркивают, что работа проводилась в лаборатории, поэтому пока нельзя полностью утверждать, насколько часто такая задержка встречается в природе. Однако предварительные полевые данные показывают: некоторые особи действительно не успевают найти нужного симбионта и погибают чаще. Это значит, что риск, выявленный в лаборатории, может быть вполне реальной угрозой для клопов в естественной среде.

У исследования есть и практическое значение. Многие насекомые, связанные с бактериями Caballeronia, являются сельскохозяйственными вредителями. Понимание того, как они получают своих симбионтов и от чего зависит их выживание, может помочь в разработке новых методов контроля их численности.

Как отметил Лиам Салливан, биологи давно знают, что жизнь растительноядных насекомых тяжела, и многие из них погибают молодыми. Теперь к этому списку угроз можно добавить еще одну: необходимость вовремя найти микробного партнера, без которого развитие становится почти невозможным.