3.1 Hymenoptera
About 15% of the ca. 150 000 hymenopteralajista on kasvinsyöjiä. Tähän arvioon sisältyvät mehiläiset, jotka syövät nektaria ja siitepölyä, muurahaiset, jotka syövät kasvien eksudaatteja, sieniä kasvattavat muurahaiset (mukaan lukien lehtileikkurimuurahaiset) (kuva 2I), kasveja syövät ampiaiset ja hymenopteroiden peruslinjojen parafyletinen ryhmä (aiemmin nimetty Symphyta-linjaksi), johon kuuluvat sahakärpässienet, sarvipääkärpässienet ja metsäampiaiset. Monet hymenopterat ovat luoneet läheisiä ravintosymbiooseja sienten kanssa. Kuten Biedermann ja Vega (2020) ovat tarkastelleet, kasvinsyöjähymenopteraryhmiä, joilla on symbioottisia yhteyksiä sieniin, ovat muun muassa sienikasvattajamuurahaiset, jotka keräävät kasveja, joilla kasvatetaan sieniä ja joilla ne sitten ruokitaan, metsäampiaiset, jotka inokuloivat sieniä ksyleemiin ruokkiakseen yksinäisiä toukkiaan, ja pistemättömät mehiläiset, jotka ruokkivat toukkiaan nektarissa kasvavilla sieniviljelmillä. Nämä sienet helpottavat lähinnä heikkolaatuisen ravinnon, kuten puun tai lehtien, sulattamista, mutta ne myös hajottavat ja myrkyttävät kasvien puolustavia yhdisteitä. Bakteerien mutualistien osalta hunajamehiläisten suolistomikrobiomista on tullut isännän ja mikrobien vuorovaikutuksen malli, ja sitä on käsitelty intensiivisesti aiemmissa katsauksissa (Douglas, 2019; Engel et al., 2016; Zheng et al., 2018). Erottuvat suolistobakteerilinjat siirtyvät vertikaalisesti sosiaalisten kontaktien kautta, mikä todennäköisesti helpottaa isännän ja symbiontin yhteisevoluutiota (Engel ja Moran, 2013; Moran et al., 2019). Tämä sosiaalinen mehiläismalli ei kuitenkaan ole edustava valtaosalle mehiläisistä, jotka ovat yksinäisiä (> 90 % > 17 500 lajista) (Kuva 2J). Suhteessa sosiaalisiin mehiläisiin yksinäiset osoittavat suurempaa monimuotoisuutta ja vaihtelevuutta suolistomikrobiomissaan, mikä riippuu voimakkaasti ympäristöstä ja tavasta, jolla mikrobit siirtyvät yksittäisten hyönteisten välillä (Voulgari-Kokota et al., 2019). Tuoreessa tutkimuksessa on paljastunut, että esimerkiksi megakilpisten mehiläisten mikrobiomi riippuu kukista, joissa ne vierailevat (McFrederick ym., 2017), ja Kim ym. (2019) havaitsivat, että pölyttävät Hymenopterat voivat jopa toimia kasvien symbionttien horisontaalisen siirtymisen välittäjinä. Jälkimmäisessä tutkimuksessa Streptomyces-kanta siirtyy ritsosfääristä mansikan juuriin aina niiden kukkiin asti, minkä jälkeen pölyttävät hunajamehiläiset siirtävät sen muihin kukkiin. Kuten sieniä kasvattavilla muurahaisilla (ks. jäljempänä), tutkittu Streptomyces-kanta suojasi mehiläisiä mutta myös kasveja patogeeneiltä. Muiden kasvinsyöjähymenopteraryhmien, lähinnä sahakärpästen, muurahaisten ja sappipistiäisten symbionttia on myös tutkittu laajalti, ja katsauksessamme kerromme yksityiskohtaisesti viimeaikaisten tutkimusten tuloksista.
Monet muurahaislajit ovat evoluutiohistoriansa varrella hankkineet vertikaalisesti siirtyviä bakteerisymbionttikantoja (Moreau, 2020). Useimpia kasvinsyöjämuurahaisia pidetään katoksen ravinnonsaajina, jotka syövät kasvien eksudaatteja, hyönteisten mesimehua, siitepölyä ja selkärankaisten jätteitä, ja ne saavat vain vähän typpeä, vaikka ne täydentävät ruokavaliotaan saalistamalla. Cephalotes-, Dolichoderus- ja Camponotus-muurahaisilla genomitodisteet viittaavat siihen, että suolistossa sijaitsevat bakteerit voivat suorittaa hyödyllisiä typpimetabolisia palveluja isännilleen (Bisch et al., 2018; Gil et al., 2003; Hu et al., 2018). Koska symbionttirikastuminen kasvinsyöjämuurahaisissa ja joidenkin suolistobakteerien sukulaisuus typpeä sitoviin ritsobioihin, jotka ovat mutualistisia palkokasvien kanssa, jotkut kirjoittajat ovat spekuloineet, että endosymbiontit ovat helpottaneet ”kasvinsyöjä”-elämäntavan syntyä ja ylläpitoa koko tässä hyönteisperheessä (Kaltenpoth ja Flórez, 2020; Russell ym., 2009; Stoll ym., 2007). Typpifiksaatiota pidettiin alun perin mutualistisena palveluna, mutta in vivo -näyttö tämän toiminnan osoittamisesta muurahaissymbionteilla on osoittautunut vaikeasti saavutettavaksi, ja (meta)genomisen sekvensoinnin avulla ei ole onnistuttu myöskään tunnistamaan typpifiksaatiogeenejä runsaista endosymbionteista. Tällaiset pyrkimykset ovat kuitenkin osoittaneet symbionttien osallistuvan mutualistiseen typen kierrätykseen, ja sekä Cephalotes- että Camponotusjärjestelmissä tehdyissä tutkimuksissa on yhdistetty in vivo -kokeet ja genomiikka, jotka tukevat tällaista roolia (Feldhaar ym., 2007; Gil ym., 2007), 2003; Hu et al., 2018).
Tämän taksonin lisäksi sieniä kasvattavat lehtileikkurimuurahaiset (alaheimo Attina, suvut Atta ja Acromyrmex) ovat solmineet läheisiä assosiaatioita sieniin, joita ne viljelevät korjatulla kasvimateriaalilla (katsaus Moreau, 2020). Näiden yhteyksien lisäksi lehtileikkurimuurahaiset ovat kuitenkin solmineet symbiooseja bakteerien kanssa. Vaikka attinamuurahaisten suolistomikrobiomi on melko yksinkertainen, nämä lajit pitävät kynsinauhoissaan vertikaalisesti siirtyviä aktinobakteereja (esim. Streptomyces), jotka tuottavat antibiootteja sienipuutarhaparasiittien tukahduttamiseksi, mikä on tärkeä palvelu sen varmistamiseksi, että vain oikeat sienet kasvavat korjatulla kasvimateriaalilla (Currie ym., 1999). Monet sieniä kasvattavat muurahaissuvut levittävät vertikaalisesti näitä kutikulaarisia aktinobakteerisia biofilmejä, mikä tekee näistä lajeista poikkeuksellisia, koska ne pitävät erillisiä mikrobiomeja ulkoisesti ja sisäisesti. Näyttää siltä, että näiden muiden symbionttien läsnäolo tai puuttuminen kynsinauhasta vaikuttaa suolistomikrobiomien koostumukseen: niiden muurahaislajien suolistomikrobiomit, jotka kantavat kutikulaarisia aktinobakteereja, ovat yleensä samankaltaisempia kuin ne, joissa niitä ei ole, erityisesti muurahaislinjoissa, jotka ovat syntyneet tämän taksonin historian myöhemmässä vaiheessa (Sapountzis ym., ), 2019).
Kutikulaarisymbionttien kanssa tapahtuvien vuorovaikutusten lisäksi suolistomikrobien symbiontit voivat vaikuttaa lehtileikkurimuurahaisten väliseen sosiaaliseen dynamiikkaan muuttamalla kutikulaarikemikaaleja, joita muurahaiset käyttävät tunnistusvihjeinä. Lehtileikkurimuurahaisella Acromyrmex echinatiorilla antibioottihoito johti aggressiivisempaan käyttäytymiseen pesätovereita kohtaan, mikä puolestaan korreloi kahden sieni-itiöparasiitteja vastaan tuotetun sieni-itiöyhdisteen runsauden vähenemisen kanssa (Teseo ym., 2019). Näitä yhdisteitä tuottavat eksokriiniset metapleuraaliset rauhaset, jotka ovat ainutlaatuisia muurahaisille ja jotka tuottavat myös eritteitä, joilla on antibioottiominaisuuksia, jotka muokkaavat muurahaiskynsissä esiintyviä aktinobakteeriyhteisöjä (Poulsen ym., 2003). Ensimmäisessä kattavassa mikrobiston seulonnassa kuudesta sahakärpäslajista, jotka edustavat neljää eri Symphyta-sukua (Agridae, Diprionidae, Pamphiliidae ja Tenthredinidae) (kuva 2K), paljastui suolistobakteerien vähäinen näennäinen monimuotoisuus. Löydetyt bakteerit olivat pääasiassa α- tai γ-proteobakteereja, jotka johtuivat pääasiassa isäntäkasvista (Graham et al., 2008). Esimerkiksi puolessa seulotuista lajeista löydetyt Rhanella sp. -bakteerit ovat saattaneet olla peräisin isäntäkasvista, sillä niitä on eristetty lehdistä muissa tutkimuksissa (esim. Hashidoko ym., 2002). Tuoreemmassa tutkimuksessa kävi ilmi, että näitä sahanpyöriä kolonisoi uusi Spiroplasma-laji, jota havaittiin sekä aikuisissa että toukissa ja joka todennäköisesti tarttuu joko vertikaalisesti tai horisontaalisesti toukkien syödessä vehnän sisäistä vartta (Yeoman ym., 2019). Tämä symbiontti kantaa useita geenejä, jotka koodaavat hiilihydraattiaineenvaihduntaa sekä välttämättömien B-vitamiinien biosynteesireittejä. Lisäksi Spiroplasman geenit koodaavat kardiolipiinisyntaasia ja kitinaasia, jotka molemmat mahdollisesti osallistuvat hyönteisten puolustukseen, mikä lisäisi sahakärpäset toiseksi hyönteisryhmäksi, joka käyttää Spiroplasmaa puolustussymbiontina (Ballinger ja Perlman, 2019).
Hymenopteroiden sukulinja Cynipoidea käsittää sekä kasvi- että hyönteisloisia. Tämän sukulinjan sisällä Cynipidae-heimo (noin 1400 spp.) on täysin erikoistunut muodostamaan rakkuloita pääasiassa tammiin ja ruusupensaisiin (Ronquist ym., 2015). Sappipistiäiset saavat kasvit muuttamaan isäntänsä fysiologiaa ja kehittämään monimutkaisia sappirakenteita, jotka usein muistuttavat uusia kasvin elimiä. Ampiaisten toukat ruokailevat suojaavan sapen sisällä. Kahden sappiampiaislajin munasarjojen ja myrkkyrauhasten transkriptioanalyysi osoitti, että toisin kuin monissa hymenopteran parasitoidilajeissa, sappiampiaisissa ei näytä olevan myrkkyrauhasissa virusgeenejä tai virushiukkasia, jotka voisivat auttaa kasvien solujen uudelleenohjelmoinnissa sappirakenteen kehittymistä varten (Cambier et al., 2019). Muiden järjestöjen hyönteisten kasvinsyöjien tapaan on kuitenkin todennäköistä, että myrkkyrauhasissa ja/tai munasarjoissa ilmentyvät sellulaasigeenit ovat bakteeriperäisiä. Tällaisten horisontaalisesti siirtyneiden geenien hankkiminen on saattanut olla tärkeä sopeutuminen Cynipidae-heimon evoluutiossa kasvien loisiksi. Tarvitaan kuitenkin koko sukulinjan fylogenomista lähestymistapaa sen selvittämiseksi tarkemmin, ovatko sellulaasigeenit peräisin horisontaalisesta geeninsiirrosta, kuten edellä käsitellyissä Phasmatodea-suvun lajeissa osoitettiin (Shelomi et al., 2016).
Kasveja syövillä Hymenopteroilla on tunnistettu puolustavia symbiooseja, erityisesti sienipuutarhoja uhkaavia patogeeneja vastaan lehtileikkurimuurahaisissa (kuten edellä mainittiin) tai mehiläisten toukissa, mutta myös eukaryoottisia parasiitteja vastaan (katsaus teoksissa Flórez ym., 2015 ja Kaltenpoth ja Engl, 2014). Esimerkiksi kimalaisella Bombus terrestis suolistosymbionteilla vähennettiin trypanosomatidien loisen Crithidia bombi infektiomääriä (Koch ja Schmid-Hempel, 2011).