3.1 Hymenoptera
Circa il 15% delle ca. 150.000 specie di imenotteri sono fitofagi. Questa stima include le api che si nutrono di nettare e polline, le formiche che si nutrono di essudati vegetali, le formiche coltivatrici di funghi (comprese le formiche tagliafoglie) (Fig. 2I), le vespe che si nutrono di piante e il gruppo parafiletico dei lignaggi basali di imenotteri (precedentemente chiamato Symphyta) che comprende le seghe, le code di corno e le vespe del legno. Molti imenotteri hanno stabilito un’intima simbiosi nutrizionale con i funghi. Come rivisto da Biedermann e Vega (2020), i gruppi di imenotteri erbivori che hanno associazioni simbiotiche con i funghi includono formiche fungaiole che raccolgono piante su cui i funghi vengono coltivati e poi nutriti, vespe del legno che inoculano funghi nello xilema per alimentare le loro larve solitarie, e api senza pungiglione che nutrono le loro larve con una cultura di funghi che crescono nel nettare. Questi funghi facilitano soprattutto la digestione di diete di bassa qualità come il legno o le foglie, ma degradano e disintossicano anche i composti difensivi delle piante. Per quanto riguarda i mutualisti batterici, il microbioma intestinale delle api mellifere è diventato un modello di interazioni ospite-microbo ed è stato intensamente discusso in precedenti recensioni (Douglas, 2019; Engel et al., 2016; Zheng et al., 2018). Lineamenti batterici intestinali distintivi sono trasmessi verticalmente attraverso contatti sociali che probabilmente facilitano la coevoluzione ospite-simbionte (Engel e Moran, 2013; Moran et al., 2019). Eppure, questo modello di ape sociale non è rappresentativo per la stragrande maggioranza delle api che sono solitarie (> 90% delle > 17.500 specie) (Fig. 2J). Rispetto alle api sociali, quelle solitarie mostrano una maggiore diversità e variabilità nel loro microbioma intestinale, che dipende fortemente dall’ambiente e dal modo in cui i microbi vengono trasmessi tra i singoli insetti (Voulgari-Kokota et al., 2019). Uno studio recente ha rivelato che il microbioma delle api megachilidi, per esempio, dipende dai fiori che visitano (McFrederick et al., 2017), e Kim et al. (2019) hanno scoperto che gli imenotteri impollinatori possono persino agire come agenti di trasmissione orizzontale di simbionti vegetali. In quest’ultimo studio, un ceppo di Streptomyces si sposta dalla rizosfera nelle radici delle fragole fino ai loro fiori e viene poi trasferito dalle api mellifere impollinatrici ad altri fiori. Come nelle formiche coltivatrici di funghi (vedi sotto), il ceppo di Streptomyces studiato ha protetto le api ma anche le piante dagli agenti patogeni. Anche i simbionti nei restanti gruppi di imenotteri erbivori, principalmente seghe, formiche e cinipi, sono stati ampiamente studiati, e nella nostra rassegna, riportiamo in dettaglio i risultati di studi recenti.
Molte specie di formiche hanno acquisito simbionti batterici a trasmissione verticale lungo la loro storia evolutiva (Moreau, 2020). La maggior parte delle formiche erbivore sono considerate foraggiatrici del baldacchino che si nutrono di essudati vegetali, melata di insetti, polline e rifiuti di vertebrati, e ottengono poco azoto anche quando completano la loro dieta attraverso la predazione. Nelle formiche Cephalotes, Dolichoderus e Camponotus, l’evidenza genomica suggerisce che i batteri situati nell’intestino possono svolgere utili servizi azoto-metabolici per i loro ospiti (Bisch et al., 2018; Gil et al., 2003; Hu et al., 2018). A causa dell’arricchimento di simbionti nelle formiche erbivore, e della parentela di alcuni batteri intestinali con le rizobie azotofissatrici che sono mutualistiche con le leguminose, alcuni autori hanno ipotizzato che gli endosimbionti abbiano facilitato le origini e il mantenimento dello stile di vita “erbivoro” in questa famiglia di insetti (Kaltenpoth e Flórez, 2020; Russell et al., 2009; Stoll et al., 2007). La fissazione dell’azoto è stata originariamente ipotizzata come un servizio mutualistico, ma la dimostrazione in vivo di questa attività da parte di simbionti di formiche ospitati internamente si è dimostrata sfuggente, e il sequenziamento (meta)genomico shotgun non è riuscito a identificare i geni di fissazione dell’azoto in abbondanti endosimbionti. Tali sforzi hanno, tuttavia, implicato i simbionti nel riciclaggio mutualistico dell’azoto, con studi sia nei sistemi Cephalotes che Camponotus che combinano esperimenti in vivo con la genomica per sostenere tali ruoli (Feldhaar et al., 2007; Gil et al, 2003; Hu et al., 2018).
Oltre a questi taxa, le formiche tagliafoglie coltivatrici di funghi (sottotribù Attina, genere Atta e Acromyrmex) hanno stabilito intime associazioni con il fungo che coltivano sul materiale vegetale raccolto (rivisto in Moreau, 2020). Oltre a queste associazioni, tuttavia, le formiche tagliafoglie hanno stabilito simbiosi con i batteri. Sebbene il microbioma intestinale sia abbastanza semplice nelle formiche attine, queste specie mantengono sulla loro cuticola degli attinobatteri a trasmissione verticale (per esempio Streptomyces) che producono antibiotici per sopprimere i funghi-parassiti del giardino, un servizio importante per assicurare che solo i funghi giusti crescano sul materiale vegetale raccolto (Currie et al., 1999). Questi biofilm attinobatterici cuticolari sono trasmessi verticalmente da molti generi di formiche che coltivano funghi, il che rende queste specie eccezionali nel mantenere microbiomi distinti all’esterno e all’interno. In particolare, la composizione dei microbiomi intestinali sembra essere influenzata dalla presenza/assenza di questi altri simbionti sulla cuticola: i microbiomi intestinali delle specie di formiche che portano Actinobacteria cuticolari tendono ad essere più simili a quelli senza, soprattutto nei lignaggi di formiche che sorgono più tardi nella storia di questo taxon (Sapountzis et al, 2019).
Oltre alle interazioni con i simbionti cuticolari, i simbionti microbici intestinali possono influenzare le dinamiche sociali tra le formiche tagliafoglie cambiando le sostanze chimiche cuticolari che le formiche usano come spunti di riconoscimento. Nella formica tagliafoglie Acromyrmex echinatior il trattamento antibiotico ha portato a un comportamento più aggressivo contro i compagni di nido, che a sua volta è correlato a una diminuzione dell’abbondanza di due composti antifungini, che sono prodotti contro i funghi parassiti del giardino (Teseo et al., 2019). Questi composti sono prodotti da ghiandole metapleurali esocrine che sono uniche nelle formiche e che producono anche secrezioni con proprietà antibiotiche che modulano le comunità di Actinobacteria presenti sulla cuticola della formica (Poulsen et al., 2003). Dopo il trattamento antibiotico, quando le formiche sono state alimentate con gocce fecali la comunità batterica intestinale è stata parzialmente ripristinata insieme al comportamento normale (Teseo et al., 2019).
Le mosche della sega sono un gruppo di imenotteri erbivori, comprendente alcune specie che sono gravi parassiti del grano. Un primo screening completo del microbiota di sei specie di sawfly che rappresentano quattro diverse famiglie Symphyta (Agridae, Diprionidae, Pamphiliidae e Tenthredinidae) (Fig. 2K) ha rivelato una bassa diversità apparente di batteri intestinali. I batteri trovati erano principalmente α- o γ-proteobatteri che sono stati principalmente attribuiti alla pianta ospite (Graham et al., 2008). Per esempio, la Rhanella sp. trovata nella metà delle specie esaminate potrebbe essere stata acquisita dalla pianta ospite, poiché è stata isolata dal fogliame in altri studi (per esempio Hashidoko et al., 2002). Uno studio più recente ha rivelato che queste sawflies sono colonizzate da una nuova specie di Spiroplasma, rilevata sia negli adulti che nelle larve che è probabile che sia trasmessa verticalmente o orizzontalmente dall’alimentazione larvale sul gambo interno del grano (Yeoman et al., 2019). Questo simbionte porta diversi geni che codificano per il metabolismo dei carboidrati così come le vie biosintetiche delle vitamine B essenziali. Inoltre, i geni di Spiroplasma codificano per la cardiolipina sintasi e la chitinasi, entrambe potenzialmente coinvolte nella difesa degli insetti, il che aggiungerebbe le sawflies come un altro gruppo di insetti che utilizza Spiroplasma come simbionte difensivo (Ballinger e Perlman, 2019).
Il lineage Cynipoidea degli imenotteri comprende sia parassiti di piante che di insetti. All’interno di questo lignaggio, la famiglia Cynipidae (circa 1400 spp.) è interamente specializzata nella formazione di galle principalmente su querce e cespugli di rose (Ronquist et al., 2015). Le vespe galliche inducono le piante a modificare la fisiologia del loro ospite e sviluppano strutture galliche complesse che spesso assomigliano a nuovi organi vegetali. Le larve di vespe si nutrono all’interno della galla protettiva. Un’analisi trascrizionale delle ovaie e delle ghiandole velenifere di due specie di vespe galliche ha rivelato che, a differenza di molte specie di imenotteri parassitoidi, le vespe galliche sembrano essere prive di geni virali o particelle di virus nelle ghiandole velenifere, che potrebbero aiutare a riprogrammare le cellule vegetali per lo sviluppo della galla (Cambier et al., 2019). Tuttavia, analogamente agli insetti erbivori di altri ordini, è probabile che i geni della cellulasi espressi nelle ghiandole velenifere e/o nelle ovaie siano di origine batterica. L’acquisizione di tali geni trasferiti orizzontalmente potrebbe essere stato un importante adattamento nell’evoluzione dei Cynipidae per diventare parassiti delle piante. Tuttavia, un approccio filogenomico sull’intero lignaggio è necessario per chiarire ulteriormente se i geni della cellulasi hanno origine da eventi di trasferimento genico orizzontale come è stato dimostrato per i Phasmatodea discussi in precedenza (Shelomi et al., 2016).
Sono state identificate simbiosi difensive negli imenotteri erbivori, in particolare contro i patogeni che minacciano i giardini fungini nelle formiche tagliafoglie (come menzionato sopra) o nelle larve delle api, ma anche contro i parassiti eucarioti (rivisto in Flórez et al., 2015 e Kaltenpoth e Engl, 2014). Nel bombo Bombus terrestis, per esempio, i simbionti intestinali hanno ridotto i tassi di infezione del parassita tripanosomatide Crithidia bombi (Koch e Schmid-Hempel, 2011).