Перейти к основному содержанию

Микробиом ходов короедов: новые метагеномные данные

Короеды

В журнале «ПРИРОДА» №2 2019 года вышла статья научных сотрудников лаборатории экологии, физиологии и функциональной морфологии высших позвоночных Института проблем экологии и эволюции имени А. Н. Северцова РАН Т.А. Кузнецовой, М.В. Вечерского, А.А. Степанькова. Приводим ниже текст статьи целиком. 

Большинство видов короедов, распространенных на территории России, поражает хвойные породы деревьев, что, правда, не обязательно приводит к скорой гибели леса. В каждом ельнике всегда находится немногочисленная популяция короедов, которая при определенных условиях может за один-два года нарастить численность до уровня очага массового размножения.

В субкортикальном слое — под корой — жуки-короеды находят специфическую экологическую нишу. С одной стороны, они относительно защищены от внешних условий и многочисленных потенциальных хищников. С другой — эта ниша представляет для них угрозу, поскольку само дерево со своей «иммунной системой» и симбионтами влияет на развитие жуков [12].

От момента первичного заселения дерева короедами до его смерти многие микроорганизмы сосуществуют в субкортикальной среде обитания. Они могут быть эндофитами или эпифитами [3] или попадать под кору дерева с помощью короедов [45]. Данных о привнесении отдельных видов или родов микроорганизмов короедами в субкортикальный слой достаточно много [4–8]. Однако чаще всего работы ограничиваются или исследованием отдельных семейств и родов микроорганизмов, имеющих хозяйственное значение (преимущественно грибами), или относятся к конкретному виду жука-короеда. Наибольшее внимание в таких работах уделяется фитопатогенным грибам [6–9]. Например, в работах отечественных энтомологов по грибам, вызывающим синюю гниль древесины, было показано, что их типичные распространители — большой лиственничный короед (Ips cembrae), короед-типограф (I. typographus), черный пихтовый усач (Monochamus urussovi), древесинник полосатый (Trypodendron lineatum), большой сосновый лубоед (Tomicus piniperda) и разные виды граверов (Pityogenus spp.) [10]. Заражение ходов жуков этими грибами достигает 70–100%. Кроме того, офиостомовые грибы выделяют специфические вещества, такие как ароматические соединения, сивушные спирты и терпены, оказывающие воздействие на поведение короедов. Исследование грибов семейства Graphiaceae в Китае выявило новые виды, ассоциированные не только со смолевками (Pissodes spp.), но и с большим лиственничным короедом [11]. Североамериканский лубоед Dendroctonus simplex в значительной степени меняет структуру микробиома своих ходов за счет привнесения микроорганизмов, обнаруженных на его поверхности и в кишечнике [4].

Вместе с тем первичное инфицирование дерева одним видом короедов ведет за собой вторичное заселение другими видами. Например, было показано, что южный сосновый лубоед (D. frontalis) при большой плотности своей популяции поражает еловые насаждения и тем самым увеличивает ресурсную базу для многих других ксилофагов [12]. То, какой именно жук инициирует поражение дерева, малый еловый лубоед (Hylurgops palliatus) или малый еловый черный усач (Monohamus sutor), определяет дальнейшие паттерны развития сообщества [13]. Изменение субкортикального биома под воздействием сложившейся ассоциации короедов может помочь в понимании происходящих процессов трансформации и, возможно, в разработке средств борьбы с вредителями.

Мы провели метагеномный анализ бактериального и грибного сообществ материала ходов короедов и контрольных тканей (луба и заболони, соответствующих залеганию галерей, но не подверженных непосредственному влиянию жуков) европейской ели (Picea abies). Деревья были колонизированы несколькими видами короедов: короедом-типографом (I. typographus), большим еловым полиграфом (Polygraphus punctifrons), обыкновенным гравером (Pityogenes chalcographus) и малым еловым лубоедом (H. palliatus). Данные мы получили путем метагеномного секвенирования нового поколения участков генов 16S рРНК для бактериального сообщества, а также спейсерного участка (ITS) — для грибного.

Бактериальное сообщество ходов короедов и контрольных тканей. Всего были обнаружены представители 16 филумов, 62 отрядов и 82 семейств. Как и ожидалось, микробный состав коры и ходов жуков-короедов существенно различался. В целом разнообразие семейств в контрольных образцах было ниже (индекс Шеннона Н = 2,12 в контроле и Н = 3,89 в ходах короедов).

Интересно, что в непораженной ткани на хлоропласты ели приходится более двух третей всех полученных последовательностей, а в зараженных короедами их менее 0,01%, так как здоровые ткани растения перевариваются и ДНК хлоропластов лизируется.

В бактериальных сообществах, как в контрольных, так и в поврежденных короедами тканях, доминировали представители филума Proteobacteria (62,7% в контрольных образцах и 84,3% в галереях короедов). Этот филум преобладает в древесине как разлагающихся, так и растущих хвойных деревьев [14], что говорит о способности этих бактерий к потреблению доступных питательных веществ в условиях повышенной кислотности окружающей среды.

Представители филумов Bacteroidetes и Actinobacteria составляли соответственно 7,35% и 4,5% в материале стенок ходов жуков. В контрольных тканях их доля не превышала 1%.

Рис. 1. Тепловая карта, представляющая основные доминирующие семейства бактерий в коре и материале ходов короедов («Природа» №2, 2019)

Рис. 1. Тепловая карта, представляющая основные доминирующие семейства бактерий в коре и материале ходов короедов

В не поврежденных короедами тканях доминирующие позиции занимали представители семейства Xantomonadaceae (40,5%), доля Enterobacteriaceae составляла 11,2%. Индексы обилия бактерий семейств Pseudomonadaceae и Acetobacteriacea также превышали 2%. Представители Erwinia (около 10%), Pseudomonas (2,0%) и Pseudoxantomonas (2,3%) преобладали на родовом уровне (рис. 1).

Разнообразие бактерий в галереях и буровой муке жуков-короедов было выше, чем в контрольной коре. Состав доминирующих бактерий значительно менялся. Род Erwinia сохранял свои позиции, однако его доля существенно возрастала (до 55%). Обилие псевдоманад также увеличивалось (до 4%); в доминанты выходили и представители рода Cryseobacterium (2,3%).

Преобладание представителей семейства Enterobacteriaceae и рода Pseudomonas было ранее отмечено на поверхности D. simplex [4]. Кроме того, было показано, что привнесенные короедами микроорганизмы способны метаболизировать монотерпены и фенольные соединения, уменьшая токсическую нагрузку на жуков. Такая активность была показана для представителей рода Pseudomonas и некоторых энтеробактерий [1516]. Кроме того, оказалось, что новый вид E. typographi, выделенный из короеда-типографа, обладал резистентностью к высоким концентрациям монотерпенов [17]. Возможно, это объясняет значительное увеличение доли бактерий родов Erwinia и Pseudomonas в поврежденных тканях ели.

Появление некоторых родов бактерий в галереях и буровой муке короедов можно связать и с целлюлозолитической активностью этих микроорганизмов. Так, например, была показана возможность разлагать целлюлозу для бактерий Stenotrophomonas, выделенных из кишечника рыжего соснового лубоеда (D. valens[18], для Pseudomonas из малого ясеневого лубоеда (Hylesinus fraxini[19] и из личинок D. armandi [20], а также для представителей родов SerratiaMethylobacteriumPaenibacillusBacillusPseudoxanthomonas и Sphingomonas, выделенных из взрослых особей D. armandi [20]. Некоторые из перечисленных родов мы обнаружили только в галереях, а другие значительно увеличивали свою численность в присутствии короедов.

Грибные сообщества галерей короедов и коры были представлены аско- и базидиомицетами. При этом доля аскомицетов в грибном сообществе неповрежденных тканей — более 50%, а в материале галерей — более 80%.

Известно, что в разлагающихся тканях упавших ветвей и поваленных деревьев хвойных пород доминируют базидиомицетовые грибы. Изменение сообщества в сторону доминирования аскомицетов было обнаружено в деревьях, пораженных короедом Dendroctonus rhizophagus [21].

Рис. 2. Тепловая карта, представляющая основные доминирующие семейства базидиомицетовых и аскомицетовых грибов в коре и материале ходов короедов («Природа» №2, 2019)

Рис. 2. Тепловая карта, представляющая основные доминирующие семейства базидиомицетовых (а) и аскомицетовых (б) грибов в коре и материале ходов короедов

Среди базидиомицетов неповрежденной коры нет четко выраженных доминантов (рис. 2, а). Сразу несколько семейств отличаются высоким обилием (относительно общего количества базидиомицетов): Coniophoraceae (23,1%), Exobasidiaceae (20,0%), Meruliaceae (10,8%), Microsporomycetaceae (9,2%), Sporidiobolaceae (7,7%), Fomitopsidaceae (6,2%). Доля представителей семейств Omphalotaceae, Chionosphaeraceae и Buckleyzymaceae составляла от 3 до 5%. Стоит отметить, что базидиомицетовые дрожжи были представлены более чем 10% последовательностей от общего количества прочтений (ридов) для базидиомицетов.

В базидиомицетном сообществе галерей и буровой муки жуков-короедов доля дрожжей возросла до 30%, а сообщество недрожжевых базидиомицетов кардинально изменилось. В абсолютные доминанты вышли представители семейства Coniophoraceae (45,4%), а субдоминировали Chionosphaeraceae (20,9%). Грибы Exobasidiaceae, Meruliaceae, Microsporomycetaceae, Sporidiobolaceae, Fomitopsidaceae, Omphalotaceae, Chionosphaeraceae и Buckleyzymaceae в образцах из ходов и буровой муки короедов обнаружены не были. Среди аскомицетов наибольшим обилием в контрольных образцах характеризуются дрожжи Saccaromycetes (35,7%) и паразитические грибы высших растений Sordariomycetes (23,6%) (рис. 2, б). При колонизации дерева жуками-короедами обилие дрожжей возрастает до 79,6%, а доля сордариомицетовых грибов снижается (9,7%). Кроме того, меняется и состав сордариомицетов: если в коре доминируют представители семейства Ceratocystidaceae (12% от общего числа ридов), то после заселения короедов их доля падает до 0,8%. На доминирующие позиции выходят представители семейств Graphiaceae и Ophiostomataceae (2,5% и 2,0% от общего числа ридов соответственно).

Неоднократно было показано, что в кишечном тракте короедов, проложенных ими ходах и личиночных камерах, а также в буровой муке постоянно присутствуют аскомицетовые дрожжи [22]. Они могут участвовать в пищеварении, в детоксикации среды обитания и в выработке феромонов, необходимых для взаимодействия насекомых. Кроме того, некоторые виды, в том числе Candida oregonensisC. piceaeDanielozyma ontarioensisKuraishia capsulateOgataea pini и Yamadazyma scolyti, развиваются исключительно в местообитаниях, связанных с короедами, независимо от географии выделения [2223]. Стоит отметить, что в наших исследованиях в ходах короедов обилие рода Kuraishia увеличилось более чем в два раза, достигнув 36,2%.

Грибы семейства Graphiaceae известны как сапротрофные организмы древесины. Два новых вида рода Graphium были недавно описаны в ассоциациях с большим лиственничным короедом в Китае [16].

Представители семейства Ophiostomaceae (аскомицетовые) относятся к грибам синевы древесины. Они наносят наибольший ущерб хвойным, если связаны с агрессивными видами насекомых-ксилофагов, которые способны нападать на живые деревья [10]. В этом случае грибы родов CeratocystisCeratocystiopsisGrosmannia и Ophiostoma, которые заносятся насекомыми в проводящие ткани хвойных, активно распространяются во флоэме и заболони, увеличивая размеры поврежденных насекомыми участков сосудистой ткани, нарушают транспорт воды и питательных веществ по стволу и способствуют быстрому усыханию и гибели растения-хозяина [9].

***

Инвазия короедов весьма характерно изменяет микробиологический профиль пораженной древесины. Вне зависимости от видовой принадлежности паразита можно выделить общие уникальные изменения, которые происходят в микробиоме пораженной ткани. Для сообщества прокариот характерно резкое наращивание численности энтеробактерий, поступающих из самих жуков, а также представителей семейств Sphingobacteriaceae и Microbacteriaceae, участвующих в разложении древесины. В целом микробное разнообразие увеличивается более чем в полтора раза. Для сообщества грибов характерно резкое увеличение численности сахаролитиков из-за инфильтрации флоэмного сока в пораженные участки. Эта группировка растет как за счет типичных для древесины сахаролитиков, так и благодаря уникальным дрожжам, привносимым короедами. Также появляются типичные мицелиальные фитопатогенные грибы семейства Ophiostomaceae, переносимые насекомыми. Помимо них увеличивается разнообразие неспецифических сапротрофных мицелиальных аскомицетовых грибов. Таким образом, поражения древесины короедами вызывают микробные сукцессии, отличающиеся от тех, которые происходят при механических и возрастных поражениях.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 16-04-01726).

Литература
1. Adams A. S., Currie C. R., Cardoza Y. et al. Effects of symbiotic bacteria and tree chemistry on the growth and reproduction of bark beetle fungal symbionts // Canadian Journal of Forest Research. 2009; 39: 1133–1147. DOI: 10.1139/X09-034.
2. Therrien J., Mason C. J., Cale J. A. et al. Bacteria influence mountain pine beetle brood development through interactions with symbiotic and antagonistic fungi: implications for climate-driven host range expansion // Oecologia. 2015; 179: 467–485. DOI: 10.1007/s00442-015-3356-9.
3. Strid Y., Schroeder M., Lindahl B. et al. Bark beetles have a decisive impact on fungal communities in Norway spruce stem sections // Fungal Ecol. 2014; 7: 47–58. DOI: 10.1016/j.funeco.2013.09.003.
4. Durand A. A., Bergeron A., Constant P. et al. Surveying the endomicrobiome and ectomicrobiome of bark beetles: the case of Dendroctonus simplex // Sci. Rep. 2015; 5: 17190. DOI: 10.1038/srep17190.
5. Bracewell R. R., Six D. L. Broadscale specificity in a bark beetle-fungal symbiosis: a spatio-temporal analysis of the mycangial fungi of the western pine beetle // Microb. Ecol. 2014; 68: 859–870. DOI: 10.1007/s00248-014-0449-7.
6. Hernández-García J. A., Briones-Roblero C. I., Rivera-Orduña F. N., Zúñiga G. Revealing the gut bacteriome of Dendroctonus bark beetles (Curculionidae: Scolytinae): diversity, core members and co-evolutionary patterns // Sci. Rep. 2017; 7(13864): 13864. DOI: 10.1038/s41598-017-14031-6.
7. Jankowiak R. Fungi associated with Ips typographus on Picea abies in southern Poland and their succession into the phloem and sapwood of beetle-infested trees and logs // For. Pathol. 2005; 35: 37–55.
8. Kirisits T. Fungal associates of European bark beetles with special emphasis on the ophiostomatoid fungi. In Bark and Wood Boring Insects in Living Trees in Europe, A Synthesis, ed. F. Lieutier, K. R. Day, A. Battisti, J.-C. Gregoire, H. F. Evans. Dordrecht. 2004; 181–236.
9. Paine T. D., Raffa K. F., Harrington T. C. Interactions among scolytid bark beetles, their associated fungi, and live host conifers // Annu. Rev. Entomol. 1997; 42: 179–206. DOI: 10.1146/annurev.ento.42.1.179.
10. Пашенова Н. В., Полякова Г. Г., Афанасова Е. Н. Изучение грибов синевы древесины в хвойных лесах Центральной Сибири // Хвойные бореальной зоны. 2009; 26(1): 22–28.
11. Liu X., Lü Q., Meng X. et al. Identification and phylogeny of Graphium spp. (Microascales: Graphiaceae) associated with Ips subelongatus (Coleoptera: Scolytidae) in China // Scientia Silvae Sinicae. 2016; 52(8): 76–87. DOI: 10.11707/j.1001-7488.20160810.
12. Flamm R. O., Pulley P. E., Coulson R. N. Colonization of disturbed trees by the southern pine beetle guild (Coleoptera: Scolytidae) // Environ Entomol. 1993; 22: 62–70. DOI: 10.1093/ee/22.1.62.
13. Weslien J., Djupström L. B., Schroeder M., Widenfalk O. Long-term priority effects among insects and fungi colonizatig decaying wood // J. Anim. Ecol. 2011; 80: 1155–1162. DOI: 10.1111/j.1365-2656.2011.01860.x.
14. Sun H., Terhonen E., Kasanen R., Asiegbu F. O. Diversity and community structure of primary wood-inhabiting bacteria in boreal forest // Geomicrobiol. J. 2014; 31: 315–324. DOI: 10.1080/01490451.2013.827763.
15. Boone C. K., Keefover-Ring K., Mapes A. C. et al. Bacteria associated with a tree-killing insect reduce concentrations of plant defense compounds // Journal of Chemical Ecology. 2013; 39: 1003–1006. DOI: 10.1007/s10886-013-0313-0.
16. Xu L. T., Lu M., Sun J. H. Invasive bark beetle-associated microbes degrade a host defensive monoterpene // Insect Sci. 2016; 23: 183–190. DOI: 10.1111/1744-7917.12255.
17. Skrodenyte-Arbaciauskiene V., Radziute S., Stunzenas V., Buda V. Erwinia typographi sp. nov., isolated from bark beetle (Ips typographus) gut // International Journal of Systems and Evolution Microbiology. 2012; 62: 942–948. DOI: 10.1099/ijs.0.030304-0.
18. Morales-Jiménez J., Zúñiga G., Villa-Tanaca L., Hernández-Rodríguez C. Bacterial community and nitrogen fixation in the red turpentine beetle, Dendroctonus valens LeConte (Coleoptera: Curculionidae: Scolytinae) // Microbial Ecology. 2009; 58: 879–891. DOI: 10.1007/s00248-009-9548-2.
19. Menendez E., Ramirez-Bahena M. H., Fabryova A. et al. Pseudomonas coleopterorum sp. nov., a cellulase-producing bacterium isolated from the bark beetle Hylesinus fraxini // International Journal of Systems and Evolution Microbiology. 2015; 65: 2852–2858. DOI: 10.1099/ijs.0.000344.
20. Hu X., Yu J., Wang C., Chen H. Cellulolytic bacteria associated with the gut of Dendroctonus armandi Larvae (Coleoptera: Curculionidae: Scolytinae) // Forests. 2014; 5: 455–465. DOI: 10.3390/f5030455.
21. Gonzalez-Escobedo R., Briones-Roblero C. I., Lуpez M. F. et al. Changes in the Microbial Community of Pinus arizonica Saplings After Being Colonized by the Bark Beetle Dendroctonus rhizophagus (Curculionidae: Scolytinae) // Microb. Ecol. 2018. DOI: 10.1007/s00248-018-1274-1. Epub ahead of print.
22. Davis T. S. The Ecology of yeasts in the bark beetle holobiont: a century of research revisited // Microb. Ecol. 2015; 69(4): 723–732. DOI: 10.1007/s00248-014-0479-1.
23. Menkis A., Lynikiene J., Marciulynas A. et al. The great spruce bark beetle (Dendroctonus micans Kug.) (Coleoptera: Scolytidae) in Lithuania: occurrence, phenology, morphology and communities of associated fungi // Bull Entomol Res. 2017; 107(4): 431–438. DOI: 10.1017/S0007485316001048.

 

Об авторах

Татьяна Александровна Кузнецова («Природа» №2, 2019)

Татьяна Александровна Кузнецова — кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории экологии, физиологии и функциональной морфологии высших позвоночных Института проблем экологии и эволюции имени А. Н. Северцова РАН. Область научных интересов — симбиотические микроорганизмы животных-фитофагов, микробная деградация растительных полимеров.

Максим Валерьевич Вечерский («Природа» №2, 2019)

Максим Валерьевич Вечерский — кандидат биологических наук, старший научный сотрудник той же лаборатории. Научные интересы связаны с метагеномикой сложных сообществ и влиянием микросимбионтов на физиологию организма-хозяина.

Александр Александрович Степаньков («Природа» №2, 2019)

Александр Александрович Степаньков — ведущий специалист той же лаборатории. Область научных интересов — биоинформатика, математическое моделирование биологических систем.