Characterization of the mutualistic endosymbiosis between intracellular bacteria and mealybugs (HemipteraPseudococcidae)

Abstract

Simbiosis, del griego sym “con” y biosis “vivir”, hace referencia a la asociación estable entre individuos de dos o más especies (simbiontes) que muestran interdependencia a cualquier nivel biológico. La ubicuidad de las asociaciones simbióticas en las ramas principales del árbol de la vida evidencia la relevancia global de éstas en la evolución de la vida. Las asociaciones más estudiadas son aquellas que se establecen entre procariotas y eucariotas que, habitualmente, suponen la ampliación de las capacidades metabólicas de los últimos. En este sentido, la simbiosis con bacterias intracelulares se considera un factor clave en el éxito adaptativo de los insectos. En función de su relevancia para la supervivencia del hospedador, los simbiontes bacterianos se agrupan en dos categorías: obligatorios o primarios (P-endosimbiontes) y facultativos o secundarios (S-simbiontes). En caso de que, eventualmente, el hospedador requiriera funciones esenciales codificadas por el S-simbionte, tal asociación pasaría a ser necesaria y permanente. El P-simbionte original y el S-simbionte se consideran entonces simbiontes co-primarios. Típicamente, los P-endosimbiontes sufren una drástica reducción en el tamaño de sus genomas y un fuerte incremento del contenido en AT de éstos. Ello se debe a la pérdida de una amplia gama de funciones génicas redundantes y/o innecesarias en el nicho intracelular (enriquecido y estable), incluidas aquellas relacionadas con los sistemas de reparación de ADN. Al igual que otros insectos chupadores de savia pertenecientes al suborden Sternorrhyncha, las cochinillas algodonosas (Hemiptera: Pseudococcidae) mantienen simbiosis mutualista con bacterias intracelulares. La betaproteobacteria “Candidatus Tremblaya phenacola” es el P-endosimbionte de cochinillas de la subfamilia Phenacoccinae, salvo en (al menos) las especies del género Rastrococcus y la tribu Rhizoecini, donde ha sido reemplazada por endosimbiontes del phylum Bacteroidetes. Por el contrario, la betaproteobacteria “Candidatus Tremblaya princeps” es el P-endosimbionte de las cochinillas de la subfamilia Pseudococcinae. A diferencia de “Ca. Tremblaya phenacola”, “Ca. Tremblaya princeps” no está sola en la mayor parte de los linajes de Pseudococcinae sino que ha sido recurrentemente infectada por diferentes gammaproteobacterias, dando lugar a consorcios bacterianos anidados. La abundancia relativa del beta y el gamma-endosimbionte, su dinámica poblacional a lo largo del ciclo biológico del insecto hospedador y su transmisión coordinada a la siguiente generación sugieren que ambos miembros del consorcio están íntimamente relacionados. Por otra parte, la exploración genómica temprana de “Ca. Tremblaya princeps” reveló características atípicas para un P-endosimbionte con 100-200 millones de años de antigüedad (bajo contenido en AT, baja densidad génica, loci parálogos persistentes e idénticos). Con el fin de inferir las bases moleculares de la endosimbiosis mutualista en cochinillas algodonosas, nos planteamos dos objetivos principales: (1) Secuenciación y ensamblaje del genoma completo del beta- y el gamma-endosimbionte de Planococcus citri (Risso), la cochinilla algodonosa de los cítricos; (2) Anotación y análisis funcional de los genomas de los miembros de dicho consorcio endosimbionte; Como consecuencia de los resultados obtenidos, nos planteamos objetivos adicionales: (3) Estudio de la comunicación molecular entre los miembros del consorcio endosimbionte en P. citri; (4) Análisis de la biosíntesis de aminoácidos esenciales en especies adicionales de cochinillas algodonosas pertenecientes a las subfamilias Pseudococcinae y Phenacoccinae; (5) Exploración de las bases moleculares del nexo entre la endosimbiosis anidada y la evolución reductiva atípica de “Ca. Tremblaya princeps” en cochinillas de la subfamilia Pseudococcinae; Nuestros resultados de investigación permiten alcanzar las siguientes conclusiones: (1) ”Ca. Tremblaya princeps” presenta el genoma bacteriano con menor número de genes descrito hasta el momento, siendo uno de los más reducidos conocidos; (2) Ni la abundancia de pseudogenes ni la expansión de repeticiones en tándem explican la baja densidad génica en el genoma de “Ca. Tremblaya princeps”; (3) La comparación entre “Ca. Tremblaya princeps” PCVAL y “Ca. Tremblaya phenacola” PAVE, P-endosimbionte de la cochinilla de la avena Phenacoccus avenae (Borchsenius), sugiere que la duplicación del operón ribosomal y su contexto genómico inmediato tuvo lugar en el ancestro común de ambas especies y refuerza el vínculo entre endosimbiosis anidada y evolución concertada; (4) La secuenciación y caracterización del genoma completo del gamma-endosimbionte de P. citri, “Candidatus Moranella endobia”, reveló otro evento de duplicación genómica parcial sometida a evolución concertada; (5) La secuenciación y caracterización de las regiones leuA-rrs1 y prs-rrs2 del genoma de “Ca. Tremblaya princeps” de P. ficus confirmó la incidencia reciente de eventos de recombinación homóloga en “Ca. Tremblaya princeps” del clado E; (6) La recuperación del potencial de recombinación homóloga mediante la internalización recurrente de gamma-endosimbiontes podría explicar, al menos en parte, la asociación entre la endosimbiosis anidada y la evolución reductiva atípica de “Ca. Tremblaya princeps”; (7) La caracterización de secuencias repetitivas en los genomas de “Ca. Tremblaya princeps” y “Ca. Moranella endobia” sugiere mayor susceptibilidad relativa del primero a la maquinaria de recombinación homóloga codificada por el último; (8) El análisis funcional de ambos genomas sugiere que (a) “Ca. Moranella endobia” es el único miembro del consorcio capaz de generar energía y que (b) “Ca. Tremblaya princeps” necesita importar un amplio número de productos génicos codificados exclusivamente en el genoma de “Ca. Moranella endobia”. Ambos endosimbiontes formarían parte de una entidad biológica sin precedentes; (9) La conservación del canal mecanosensible MscL en “Ca. Moranella endobia” y la inmunotinción de proteínas sugiere que la comunicación molecular entre ambos endosimbiontes estaría mediada, al menos en parte, por estímulos osmóticos; (10) El suplementado de la dieta del insecto hospedador con aminoácidos esenciales y la especialización al respecto de los miembros del consorcio endosimbionte es un fenómeno general en cochinillas de la subfamilia Pseudococcinae; (11) Al menos un evento de transferencia génica horizontal (HGT) habría influido en la evolución de la biosíntesis de aminoácidos esenciales en “Ca. Tremblaya phenacola” de Phenacoccus peruvianus (Granara de Willink) y Phenacoccus madeirensis (Green).