3.1 Hymenoptera

Aproximativ 15% din populația de cca. 150.000 de specii de himenoptere sunt fitofage. Această estimare include albinele care se hrănesc cu nectar și polen, furnicile care se hrănesc cu exsudate de plante, furnicile cultivatoare de ciuperci (inclusiv furnicile tăietoare de frunze) (Fig. 2I), viespile care se hrănesc cu plante, precum și grupul parafilitic de neamuri himenoptere bazale (denumite anterior Symphyta) care include muștele de fierăstrău, coarnele și viespile de lemn. Multe himenoptere au stabilit simbioze nutriționale intime cu ciupercile. După cum au trecut în revistă Biedermann și Vega (2020), grupurile de himenoptere erbivore care au asociații simbiotice cu ciupercile includ furnicile cultivatoare de ciuperci care recoltează plante pe care sunt cultivate ciuperci și apoi se hrănesc cu ele, viespile de lemn care inoculează ciuperci în xilem pentru a-și hrăni larvele solitare și albinele fără înțepătură care își hrănesc larvele cu o cultură de ciuperci care cresc în nectar. Aceste ciuperci facilitează, în principal, digestia alimentelor de slabă calitate, cum ar fi lemnul sau frunzele, dar, de asemenea, degradează și detoxifică compușii defensivi ai plantelor. În ceea ce privește mutanții bacterieni, microbiomul intestinal al albinelor de miere a devenit un model de interacțiuni gazdă-microbi și a fost intens discutat în recenzii anterioare (Douglas, 2019; Engel et al., 2016; Zheng et al., 2018). Liniile distincte de bacterii intestinale sunt transmise pe verticală prin contacte sociale, facilitând probabil coevoluția gazdă-simbiont (Engel și Moran, 2013; Moran et al., 2019). Cu toate acestea, acest model de albine sociale nu este reprezentativ pentru marea majoritate a albinelor care sunt solitare (> 90% din cele > 17.500 de specii) (Fig. 2J) (Fig. 2J). În raport cu albinele sociale, cele solitare prezintă o diversitate și o variabilitate mai mare a microbiomului lor intestinal, care depinde în mare măsură de mediu și de modul în care microbii se transmit între insectele individuale (Voulgari-Kokota et al., 2019). Un studiu recent a arătat că microbiomul albinelor megachilide, de exemplu, depinde de florile pe care le vizitează (McFrederick et al., 2017), iar Kim et al. (2019) au descoperit că himenopterele polenizatoare pot acționa chiar și ca agenți de transmitere orizontală a simbioților plantelor. În acest din urmă studiu, o tulpină de Streptomyces se deplasează din rizosferă în rădăcinile de căpșuni până la florile acestora și este apoi transferată de albinele de miere polenizatoare către alte flori. Ca și în cazul furnicilor cultivatoare de ciuperci (a se vedea mai jos), tulpina Streptomyces studiată a protejat albinele, dar și plantele de agenții patogeni. Simbionții din celelalte grupuri de himenoptere erbivore, în principal muște de fierăstrău, furnici și viespi biliare, au fost și ei studiați pe larg, iar în recenzia noastră detaliem rezultatele unor studii recente.

Multe specii de furnici au dobândit, de-a lungul istoriei lor evolutive, simbionți bacterieni transmiși pe verticală (Moreau, 2020). Majoritatea furnicilor erbivore sunt considerate furajere de baldachin care se hrănesc cu exudate de plante, miere de albine de insecte, polen și deșeuri de vertebrate și obțin puțin azot chiar și atunci când își completează dieta prin prădare. La furnicile Cephalotes, Dolichoderus și Camponotus, dovezile genomice sugerează că bacteriile situate în intestin pot efectua servicii utile de metabolizare a azotului pentru gazdele lor (Bisch et al., 2018; Gil et al., 2003; Hu et al., 2018). Datorită îmbogățirii cu simbionți la furnicile ierbivore și a înrudirii unor bacterii intestinale cu rizobia fixatoare de azot care sunt mutualiste cu plantele leguminoase, unii autori au speculat că endosimbionții au facilitat originile și menținerea stilului de viață „ierbivor” la nivelul acestei familii de insecte (Kaltenpoth și Flórez, 2020; Russell et al., 2009; Stoll et al., 2007). Fixarea azotului a fost inițial postulată ca fiind un serviciu mutualist, dar demonstrarea in vivo a acestei activități de către simbioții furnicilor adăpostiți intern s-a dovedit evazivă, iar secvențierea (meta)genomică shotgun nu a reușit, în mod similar, să identifice genele de fixare a azotului în endosimbionții abundenți. Cu toate acestea, astfel de eforturi au implicat simbioții în reciclarea mutualistă a azotului, studiile efectuate atât în sistemul Cephalotes, cât și în sistemul Camponotus, combinând experimentele in vivo cu genomica pentru a susține aceste roluri (Feldhaar et al., 2007; Gil et al., 2003; Hu et al., 2018).

Dincolo de acești taxoni, furnicile tăietoare de frunze care cultivă ciuperci (subtribul Attina, genurile Atta și Acromyrmex) au stabilit asociații intime cu ciupercile pe care le cultivă pe materialul vegetal recoltat (analizat în Moreau, 2020). Pe lângă aceste asociații, însă, furnicile tăietoare de frunze au stabilit simbioze cu bacterii. Deși microbiomul intestinal este destul de simplu la furnicile atrine, aceste specii păstrează pe cuticula lor Actinobacterii transmise pe verticală (de exemplu, Streptomyces) care produc antibiotice pentru a suprima ciupercile-parazite de grădină, un serviciu important pentru a se asigura că numai ciupercile potrivite cresc pe materialul vegetal recoltat (Currie et al., 1999). Aceste biofilme actinobacteriene cuticulare sunt transmise pe verticală de multe genuri de furnici cultivatoare de ciuperci, ceea ce face ca aceste specii să fie excepționale în păstrarea unor microbiomuri distincte în exterior și în interior. În mod notabil, compoziția microbiomilor intestinali pare să fie afectată de prezența/absența acestor alți simbionți pe cuticulă: microbiomii intestinali ai speciilor de furnici purtătoare de Actinobacterii cuticulare tind să fie mai asemănători decât cei care nu sunt purtători, în special în cazul liniilor de furnici apărute mai târziu în istoria acestui taxon (Sapountzis et al, 2019).

În afară de interacțiunile cu simbionții cuticulari, simbionții microbieni intestinali pot afecta dinamica socială între furnicile tăietori de frunze prin modificarea substanțelor chimice cuticulare pe care furnicile le folosesc ca indicii de recunoaștere. La furnica tăietoare de frunze Acromyrmex echinatior, tratamentul cu antibiotice a dus la un comportament mai agresiv împotriva colegilor de cuib, care, la rândul său, a fost corelat cu o scădere a abundenței a doi compuși antifungici, care sunt produși împotriva ciupercilor-parazite de grădină (Teseo et al., 2019). Acești compuși sunt produși de glande metapleurale exocrine care sunt unice la furnici și care produc, de asemenea, secreții cu proprietăți antibiotice care modulează comunitățile de Actinobacterii prezente pe cuticula furnicilor (Poulsen et al., 2003). După tratamentul cu antibiotice, atunci când furnicile au fost hrănite cu picături fecale, comunitatea bacteriană intestinală a fost parțial restabilită, împreună cu un comportament normal (Teseo et al., 2019).

Sawflies sunt un grup de himenoptere erbivore, cuprinzând unele specii care sunt dăunători serioși ai grâului. Un prim screening cuprinzător al microbiotei a șase specii de muște de ferăstrău reprezentând patru familii diferite de Symphyta (Agridae, Diprionidae, Pamphiliidae și Tenthredinidae) (Fig. 2K) a evidențiat o diversitate aparentă scăzută a bacteriilor intestinale. Bacteriile găsite erau în principal α- sau γ-proteobacterii care au fost atribuite în principal plantei gazdă (Graham et al., 2008). De exemplu, este posibil ca Rhanella sp. găsite în jumătate dintre speciile analizate să fi fost dobândite de la planta gazdă, deoarece au fost izolate din frunziș în alte studii (de exemplu, Hashidoko et al., 2002). Un studiu mai recent a dezvăluit că aceste muște de ferăstrău sunt colonizate de o nouă specie de Spiroplasma, detectată atât la adulți, cât și la larve, care este probabil să fie transmisă fie pe verticală, fie pe orizontală prin hrănirea larvelor pe partea interioară a tulpinii de grâu (Yeoman et al., 2019). Acest simbiot poartă mai multe gene care codifică pentru metabolismul carbohidraților, precum și pentru căile de biosinteză a vitaminelor B esențiale. În plus, genele Spiroplasma codifică pentru cardiolipină sintetază și chitinază, ambele potențial implicate în apărarea insectelor, ceea ce ar adăuga muștele fierăstrău ca fiind un alt grup de insecte care utilizează Spiroplasma ca simbiot defensiv (Ballinger și Perlman, 2019).

Liniația himenopterelor Cynipoidea cuprinde atât paraziți de plante, cât și de insecte. În cadrul acestui neam, familia Cynipidae (aproximativ 1400 spp.) este în întregime specializată în formarea de gale, în principal pe stejari și arbuști de trandafiri (Ronquist et al., 2015). Viespile cu galere determină plantele să își modifice fiziologia gazdei și să dezvolte structuri complexe de galere care seamănă adesea cu organe vegetale noi. Larvele viespilor se hrănesc în interiorul galiei protectoare. O analiză transcripțională a ovarelor și a glandelor cu venin de la două specii de viespi biliare a arătat că, spre deosebire de multe specii de himenoptere parazitoide, viespile biliare par să fie lipsite de gene virale sau de particule virale în glandele cu venin, ceea ce ar putea ajuta la reprogramarea celulelor vegetale pentru dezvoltarea biliare (Cambier et al., 2019). Cu toate acestea, similar cu insectele erbivore din alte ordine, este probabil ca genele celulozei exprimate în glandele veninoase și/sau în ovare să fie de origine bacteriană. Achiziționarea unor astfel de gene transferate pe orizontală ar fi putut fi o adaptare importantă în evoluția Cynipidae pentru a deveni paraziți ai plantelor. Cu toate acestea, este necesară o abordare filogenomică a întregului neam pentru a elucida în continuare dacă genele cellazei provin din evenimente de transfer orizontal de gene, așa cum s-a demonstrat pentru Phasmatodea discutate mai sus (Shelomi et al., 2016).

Simbiozele defensive au fost identificate la Hymenoptera erbivori, în special împotriva agenților patogeni care amenință grădinile fungice la furnicile tăietori de frunze (după cum s-a menționat mai sus) sau la larvele de albine, dar și împotriva paraziților eucarioți (analizate în Flórez et al., 2015 și Kaltenpoth și Engl, 2014). La bondarul Bombus terrestis, de exemplu, simbioții intestinali au redus ratele de infecție cu parazitul tripanosomatid Crithidia bombi (Koch și Schmid-Hempel, 2011).