Comme son nom l'indique, la tortue du chardon ( Cassida rubiginosa ) se nourrit de feuilles de chardon. Sa plante alimentaire préférée est le chardon des champs, une mauvaise herbe redoutée dans l'agriculture dans le monde entier. La tortue du chardon, qui est considéré comme un important herbivore des chardons, est utilisé dans la lutte biologique contre les mauvaises herbes. Crédit :Hassan Salem, Université Emory.
Une équipe internationale comprenant des chercheurs de l'Institut Max Planck d'écologie chimique a décrit une bactérie résidant dans une espèce de coléoptère qui a une caractéristique inattendue :elle fournit au coléoptère les enzymes nécessaires pour décomposer certains composants de la paroi cellulaire des plantes. Le génome de la bactérie est le plus petit jamais séquencé de tous les organismes vivant en dehors d'une cellule hôte. Il contient des gènes responsables de la production de pectinases, les enzymes qui décomposent la pectine, un composant essentiel de la paroi cellulaire végétale. La production de pectinases est donc la fonction première de ces bactéries. Sans symbiotes bactériens, les coléoptères ne pourraient pas accéder aux nutriments contenus dans les cellules végétales et seraient donc incapables de survivre. L'étude est publiée aujourd'hui dans Cellule .
"Le fondement de notre étude était les descriptions histologiques et les dessins des organes symbiotiques du coléoptère qui ont été publiés pour la première fois par le zoologiste allemand Hans-Jürgen Stammer il y a plus de 80 ans. Nous voulions caractériser moléculairement l'extraordinaire partenariat entre un coléoptère et ses symbiontes décrit par Stammer comme une particularité rare, " premier auteur Hassan Salem, ancien doctorant à l'Institut Max Planck d'écologie chimique, explique. Il est actuellement boursier postdoctoral Feodor Lynen de la Fondation Alexander von Humboldt à l'Université Emory à Atlanta, Géorgie, ETATS-UNIS.
Hans-Jürgen Stammer (1899-1968) a étudié les partenariats symbiotiques entre insectes et bactéries dans les années 1920 et 1930. Il a découvert que les chrysomèles (Chrysomelidae) sont connus pour ne pas participer à des partenariats symbiotiques. Cependant, ses études ont également révélé qu'il y avait des exceptions à cette constatation parmi certaines espèces de coléoptères, tels que le coléoptère du chardon ( Cassida rubiginosa ). Ces coléoptères tortues sont équipés d'organes inhabituels, qu'il a décrit dans une étude de 1936. Les bactéries symbiotiques résident dans des réservoirs en forme de sac dans les intestins des coléoptères. Les coléoptères femelles transfèrent les symbiotes à travers les tubes vaginaux à leur progéniture en appliquant un petit caplet de symbiote à chaque œuf. Les larves qui éclosent mangent à travers la coquille de l'œuf puis consomment les caplets contenant les bactéries symbiotiques.
Les coléoptères sont capables de dégrader les composants de la paroi cellulaire des plantes, comme la cellulose et la pectine, à l'aide d'enzymes digestives. Cependant, l'analyse génétique a montré que le dendroctone du chardon ne possède pas les gènes responsables de la production des enzymes respectives (pectinases). La nouvelle étude révèle que ce déficit est compensé par un partenariat étroit avec une bactérie qui réside dans des organes spéciaux proches de l'intestin du coléoptère. Pour comprendre l'importance des symbiotes bactériens pour le coléoptère, les auteurs ont mené une série d'essais biologiques, certains qui ont été combinés avec des mesures enzymatiques. "Lorsque nous avons comparé l'activité enzymatique chez les coléoptères tortues avec et sans bactéries symbiotiques, nous avons constaté que les coléoptères sans symbiotes n'étaient pas capables de digérer la pectine afin d'accéder aux nutriments de la cellule et, par conséquent, leurs chances de survie diminuaient, " dit Roy Kirsch de l'Institut Max Planck d'écologie chimique.
Hybridation in situ par fluorescence (FISH) :Le coléoptère doit sa capacité à digérer les tissus végétaux à de minuscules bactéries qui vivent dans des organes spéciaux près de son intestin. La coupe transversale montre les organes symbiotiques associés à l'intestin du coléoptère. Dans ces réservoirs en forme de sac, les bactéries symbiotiques (vertes) sont logées Crédit :Benjamin Weiss, Université de Mayence, et Hassan Salem, Université Emory
L'analyse génétique des bactéries symbiotiques que les chercheurs présentent comme "Candidatus Stammera capleta" dans leur étude actuelle pour honorer les observations de Stammer a découvert une autre surprise :le génome du micro-organisme est réduit à seulement quelques centaines de gènes, parmi eux certains gènes qui régulent la production et le transport des pectinases. Par conséquent, le génome est minuscule :ne contenant que ~270.000 paires de bases, le génome de la bactérie est le plus petit jamais décrit pour un organisme existant en dehors d'une cellule hôte. Les bactéries Escherichia coli en comparaison, les bactéries qui vivent dans l'intestin de nombreux animaux, y compris les humains, ont 4.600.000, ou 17 fois plus de paires de bases. Seules certaines bactéries logées dans les cellules de leurs hôtes sont connues pour avoir des génomes plus petits que le symbiote du coléoptère.
La symbiose entre le coléoptère et son symbiote se caractérise par une division claire du travail. "Le coléoptère hôte possède les gènes responsables de la production de cellulases pour digérer la cellulose, tandis que le symbiote fournit les pectinases. Ensemble, ils ont les enzymes nécessaires pour briser la paroi cellulaire des plantes. Particulièrement remarquable est le fait qu'il s'agit de la première description d'un symbiote bactérien spécialisé avec une fonction primaire voire unique dédiée à la dégradation de la pectine, ", résume Hassan Salem.
Le fait que de nombreux animaux herbivores existent aujourd'hui est le résultat d'adaptations qui ont évolué au fil du temps. En réalité, les micro-organismes ont joué un rôle majeur dans de nombreuses adaptations de ce type. Le coléoptère du chardon en est un exemple impressionnant. Sans pectinases, il n'aurait pas accès aux nutriments à l'intérieur d'une cellule végétale. La production de ces enzymes a été sous-traitée à un prestataire :une bactérie vivant dans des organes particuliers à proximité de son intestin.
Chez de nombreuses espèces de coléoptères, les gènes qui activent les enzymes digestives pour la dégradation des parois cellulaires végétales proviennent de champignons et de bactéries et ont été introduits dans les génomes des ancêtres des coléoptères par transfert horizontal de gènes. « Il est fascinant que les insectes aient résolu le problème de la rupture des parois cellulaires végétales de manière si différente. Pourquoi certains insectes ont acquis des gènes de microbes horizontalement, tandis que d'autres entretiennent des symbiotes pour faire le même travail est une question intéressante qui reste à répondre dans les études futures, ", explique Martin Kaltenpoth de l'Université de Mayence.
