Цикады питаются древесным соком, который не обеспечивает их всеми питательными веществами, необходимыми для жизни. Бактерии в кишечнике, в том числе одна под названием Hodgkinia, превращают сок в аминокислоты, которые поддерживают их в течение их необычной жизни.
Цикады проводят большую часть своей жизни под землей, прежде чем появятся толпами, громко поют, спариваются неделями, а затем массово умирают. Маккатчен изучал эволюцию ходжкинии в Magicicada tredicim, типе цикады, которая роет норы в течение 13 лет. Он проанализировал насекомых и удалил бактерии, затем секвенировал их ДНК.
То, что он обнаружил вскоре после открытия собственной лаборатории несколько лет назад, настолько его озадачило, что он подумал, что это техническая ошибка. «Я не мог разобраться в этом», – говорит Маккатчен. "Это выглядело таким разбитым."Геном Ходжкинии представлял собой фрагментированный и перекрывающийся беспорядок, который, казалось, содержал множество копий ее ДНК с небольшими вариациями.
Он отложил это на время, пока в прошлом году не обнаружил, что в кишечнике южноамериканской цикады с гораздо более короткой продолжительностью жизни ходжкиния разделилась на два отдельных вида около пяти миллионов лет назад. Разделение привело к тому, что насекомое зависело от удвоения количества видов, чтобы производить те же питательные вещества, которые раньше требовали только одного вида.
Когда лаборатория Маккатчеона вернулась к 13-летней цикаде, они обнаружили гораздо больше, чем два раскола.
Разорвав паутину генетической информации, выяснилось, что геном бактерии увеличился примерно в 10 раз по сравнению с тем, как, по оценкам ученых, выглядела ДНК ее предка. Они обнаружили не менее 17 новых хромосом или геномов, но подсчитали, что цикада может полагаться на 50, чтобы выжить.
«Мы думаем, что у Ходжкинии очень высокий уровень мутаций», – говорит Маккатчеон. "Он делает много ошибок в каждом цикле репликации."
У цикад с более длительным сроком жизни эти ошибки могут накапливаться за время простоя, проведенного под землей, что приводит к поломке генов в разных типах клеток. Лаборатория Маккатчеона сейчас изучает, как растущий симбионт может затруднить жизнь цикад.
Маккатчен сравнивает проблему с попытками заботиться о многих детях – нескольких видах Hodgkinia – в дополнение к другому ее симбионту, бактерии Sulcia.
"Мы действительно можем увидеть небольшое доказательство этого в наших данных, где объем ткани, который цикада помещает в сторону одного из своих детей, Сульции, становится меньше из-за увеличения пространства, которое она должна уделять своей растущей стае Ходжкинии. Он пытается приспособиться ко всем этим различным типам клеток », – говорит он.
В более широком плане понимание того, как симбиозы развиваются с течением времени, могло бы помочь ученым больше узнать об органеллах, таких как митохондрии, от которых зависят люди и все другие животные.
«Большой контекст этого – это то, о чем люди из Интегрированного микробного биоразнообразия и CIFAR думали в течение долгого времени», – говорит Маккатчеон.
Они изучали такие вопросы, как почему одни геномы органелл выглядят совсем иначе, чем другие, и как генетическая сложность возникает в результате эволюции, которая не адаптивна или полезна для организма. «Нет лучшего места в мире, чем CIFAR, чтобы задуматься над этими фундаментальными и широкими темами биологии», – говорит Маккатчеон.
Статья в Proceedings of the National Academy of Sciences была опубликована совместно с коллоквиумом Саклера, спонсируемым CIFAR и Национальной академией наук США, под названием «Симбиозы, становящиеся постоянными: происхождение и эволюционные траектории органелл."