Новое исследование U.S. Национальная лаборатория им. Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab) показывает, как одно такое полезное насекомое, обычное для Восточного Соединенного Королевства.S., длиннорогий пассалидный жук (Odontotaenius disjunctus) имеет устойчивый пищеварительный тракт с микробами, благодаря которым его древесная диета превращается в энергию, пищу для молодняка и питательные вещества для роста лесов.
Эти сведения о совместной эволюции жука и его особого микробиома обеспечивают дорожную карту для производства доступного природного топлива и биопродуктов.
Статья появилась сегодня в журнале Nature Microbiology под названием «Анатомические свойства кишечника и функциональная сборка микробов способствуют разрушению лигноцеллюлозы и выживанию колонии древесного жука."
«Мы обнаружили, что кишечник жука устроен так, чтобы позволить уникальным микробным сообществам сосуществовать, позволяя каждому выполнять различные специфические метаболические процессы, необходимые для эффективного извлечения энергии из древесины», – сказал Хавьер Сеха-Наварро, исследователь лаборатории Беркли и ведущий автор книги. бумага. "Энергия, получаемая из древесины, позволяет жуку поддерживать себя и свое потомство на очень скудной диете."
Жуки-древесные жуки – бесценная услуга лесам
В лесах по всему миру грубые древесные остатки составляют огромное количество биомассы, которая является жесткой, трудноразлагаемой и несостоятельной в плане питания из-за низкого содержания азота.
Для таких насекомых, как термиты и жуки-пассалиды, гниющая древесина является основным пищевым продуктом, из которого они получают энергию и питательные вещества, необходимые для создания своих клеток и тканей. Взрослый пассалид роет свое дюймовое тело в гнилой древесине, которая была предварительно обработана грибами, ускоряя разложение древесины благодаря своей питательной активности и делая древесину и углерод доступными для других организмов в экосистеме.
В колониях пассалид может быть до семи взрослых особей, которые могут потреблять древесину в четыре раза больше своего веса в день. Эта древесина проходит через сложный пищеварительный тракт жука и, в конце концов, выводится в виде отходов жизнедеятельности, вежливо называемой фрассом.
«Одна из первых вещей, которые мы заметили, это то, сколько азота содержится во фракции, в три раза больше, чем в древесине, потребляемой жуком. Это означало, что жук или его микробы добавляли азот», – сказал Сея-Наварро. «Мы также заметили, как исчезают стойкие растительные полимеры, такие как лигнин и целлюлоза, и образуются энергоемкие продукты, такие как ацетат, а также биотопливо, такое как водород, этанол и метан. Этот жук и его микробы разработали то, что ученые всего мира спешат оптимизировать – как эффективно превратить биомассу древесных растений в биотопливо и биопродукты."
Но как? «Мы собрали команду экспертов и использовали передовые инструменты молекулярной биологии вместе со спектрометрией и крошечными датчиками, чтобы обнаружить, что кишечник жука состоит из специализированных отделов, каждый из которых имеет свой микробиом, который работает вместе почти как заводская производственная линия, используя уникальная биохимия, позволяющая превратить древесину в пищу и топливо ", – сказал Эоин Броди, старший автор и заместитель директора Отдела климатических и экосистемных наук лаборатории Беркли.
«Ключевое новшество, которое здесь предоставила природа, – это способ объединить биохимические процессы, которые в противном случае несовместимы», – сказал Броди. Некоторые процессы разложения лигнина требуют кислорода, в то время как другие, такие как ферментация, которая является источником энергии для жука, нуждаются в бескислородной среде. Так как же жук решает эту проблему??
«Оказывается, архитектура кишечника жука, такая как длина и толщина его стенок кишечника, эволюционировала в соответствии с его микробиомом, так что определенные метаболические процессы поддерживаются в разных областях кишечника», – сказал Сея-Наварро.
Это позволяет реакциям, требующим кислорода, происходить в области кишечника, которая отделена от областей, где микробы проводят реакции, которые могут быть ингибированы кислородом. Команда также продемонстрировала, что структура кишечника жука предотвращает утечку некоторых продуктов, таких как водород, чтобы способствовать производству ацетата, важного источника энергии не только для самого жука, но и для его потомства.
Жуки-пассалиды считаются одними из наиболее подсоциальных видов, что означает, что они работают вместе в семейных единицах, чтобы защитить свои дома из туннелей из бревен и заботиться о своих детенышах во взрослой жизни, что, вероятно, звучит знакомо большинству родителей. Поскольку жук выделяет богатую энергией и питательными веществами траву, которой питается их потомство, теперь кажется, что молодняк также должен благодарить микробов своих родителей.
Богатые питательными веществами продукты этих насекомых в конечном итоге возвращаются в лесную почву, поддерживая продуктивность экосистемы – и это исследование подчеркивает важную роль микробиома жука в этом процессе.
Так что же дальше?
Хотя природа идет впереди, мы можем узнать, как жуки разделяют биохимию на производственной линии, по словам Сеи-Наварро, и создают искусственные системы для производства биопродуктов, имитируя свойства и функции таких систем, как кишечник этого жука и его микробиом.