Een opmerkelijke symbiose

Tussen de zandkorrels van de zeebodem leeft een platworm die in de jaren 70 ontdekt werd. Het diertje heeft geen mond en verteringskanaal. Het was tot nu toe een mysterie hoe deze dieren aan voedsel kwamen. Nu heeft men ontdekt dat deze Paracatenula reeds 500 miljoen jaar geleden een symbiose aanging met een bacterie. Daarmee is het de oudste symbiose tussen dier en een chemoautotrofe bacterie.

Paracatenula

Er bestaan op de oceaanbodem nabij de hydrothermale bronnen reuzenwormen zonder mond die ook gebruik maken van symbiose met bacteriën. Deze bacteriën oxideren sulfide (H2S) waarbij de energie die daarbij vrijkomt gebruikt wordt voor het fixeren van CO2, iets wat ook de planten doen door middel van fotosynthese met gebruik van licht. De symbionten staan deze koolstofcomponenten af aan de gastheer die daarvan leeft.

Er zijn vele dieren die een dergelijke symbiose aangaan. Maar ondanks de grote verscheidenheid aan gastheren waren de symbionten gelimiteerd tot gamma- en epsilon-proteobacteriën. In het geval van onze platworm Paracatenula, is de symbiont een alfa-proteobacterie, die ook wel Riegeria genoemd wordt. Nu zijn er organellen in onze cellen (van alle planten en dieren), de mitochondriën, die afstammen van deze alfa-proteobacteriën. Blijkbaar is deze bacterie erin geslaagd verschillende keren en op verschillende manieren een symbiont te worden, zowel buiten als binnen de cel van de gastheer. In Paracatenula leeft de symbiont Riegera in bacteriocyten, dus in gespecialiseerde organen in de platworm. De bacterie maakt voor 50% deel uit van het totale weefsel van de platworm.

Het bijzondere is ook dat de symbiont, die door de ouderworm wordt doorgegeven aan het nageslacht, nooit veranderd is gedurende de laatste 500 miljoen jaar !

Uit Physorg.com

Het kleinste genoom

Nancy Moran onderzoekt de symbiose tussen bacteriën en de cicaden (snavelinsecten). Deze cicaden zuigen plantensappen die voornamelijk uit water bestaan. Zouden ze niet in symbiose leven met de bacteriën dan zouden ze niet kunnen overleven. Hetzelfde geldt voor de bacteriën. Hun genoom is zo gereduceerd dat ze niet buiten hun gastheer kunnen leven. Hier volgt een kort verslag van het interview van Carl Zimmer met Nancy Morgan.

Zowel bladluizen als cicaden bevatten endosymbiotische bacteriën. Deze bevinden zich in

Uit wikipedia: sharpshooter

zogenaamde bacteriocyten, speciale organen aan weerszijde van het abdomen waarvan de cellen de bacterie bevatten. De sharpshooter (een cicade) voedt zich met de plantensappen, die vooral uit water en slechts een paar aminozuren en wat mineralen bestaan. De symbiotische bacteriën maken aminozuren en vitaminen aan en verrijken het dieet van de cicade.
De bacteriën worden ‘verticaal’ overgeërfd: ze worden via de eicellen doorgegeven aan de volgende generatie.
Het zijn zogenaamde primaire symbionten; ze kunnen niet buiten de gast leven en worden als zodanig in het laboratorium bestudeerd. Er zijn fylogenetische stambomen gereconstrueerd van zowel de cicade als de bacteriën waaruit blijkt dat de vertakkingen exact overeenkomen. Er heeft zich duidelijk co-evolutie voorgedaan. De sharpshooter heeft twee symbionten. De oudste heeft een stamboom die teruggaat naar 270 miljoen jaar geleden en is symbiont van vele verwante insecten. De tweede is jonger, slechts zo’n 40 miljoen jaar oud en is specifiek voor de sharpshooter.
Deze symbionten hebben enorm veel genen verloren. Terwijl een bacterie als E. coli 5000 genen heeft die allemaal nodig zijn voor de celdeling en het metabolisme, heeft een symbiont er veel minder nodig. Door mutaties en deleties worden gedeelten van het genoom verloren. Veel van deze mutaties worden voornamelijk veroorzaakt door genetische drift omdat de populaties erg klein zijn.

De kleinste van de twee symbionten heeft een genoom van slechts 145 kb (ongeveer 160 genen) tegen een genoom van 5000 kb in E. coli en is daarmee het kleinste genoom dat er bestaat.
De twee symbionten maken samen precies de 10 essentiële aminozuren aan en zijn daarin exact complementair.

Carl Zimmer vraagt uiteindelijk of er een parallel getrokken kan worden tussen de mitochondriën en deze bacteriën. Er is immers een vergelijkbaar verlies van genen, een snelle evolutie van het genoom en genetische drift. Maar de mitochondriën zijn veel ouder en maakten deel uit van de eerste eucaryotische cel. In het geval van de cicaden gaat het om meercellige organismen waar de symbiont alleen in enkele gespecialiseerde cellen te vinden is.
Bovendien was er sprake van overdracht van genen van de eerste mitochondriën naar het genoom van de gastcel. De producten van de gastcel gaan weer terug naar het mitochondrium. In het geval van de cicaden is dat niet zo.

De onderzoekers zijn nog niet zeker of deze symbionten het kleinste genoom hebben dat er bestaat. Het kan zijn dat mettertijd nieuwe soorten nog kleinere symbionten ontdekt worden.

Het interview van Carl Zimmer met Nancy Moran waarin nog meer fantastische details ter sprake komen kan hier beluisterd worden.

Uit: PNAS, Plosgenetics, wikipedia.