Genómica comparada y evolutiva de endosimbiontes de pulgones

Resumen

Muchas bacterias mantienen asociaciones simbióticas con eucariotas que pueden ser mutualistas, comensales o parasitarias. En algunos casos, la relación es tan estrecha que las bacterias viven dentro de la célula huésped produciéndose una asociación llamada endosimbiosis. Los insectos pertenecen a uno de los grupos de eucariotas más diversos en la Tierra, capaces de colonizar muy diferentes nichos. Sus asociaciones simbióticas con bacterias les han permitido crecer en medios pobres en nutrientes esenciales como la savia de las plantas, los cereales o la sangre. Sus endosimbiontes residen en células especializadas, llamadas bacteriocitos, que son transmitidos verticalmente de la madre a la descendencia. La transición de los procariotas de un estilo de vida libre a un estilo intracelular obligado desencadena una cascada de cambios que dan forma a la estructura del genoma y a su contenido génico, dando lugar a una reducción del tamaño genómico, un aumento en el contenido de A+T, así como una reducción en la maquinaria de reparación (Silva et al, 2001). El primer paso hacia el establecimiento de una endosimbiosis obligada se produce cuando una bacteria de vida libre infecta a un huésped. A partir de este punto, ambos organismos co-evolucionan para adaptarse a la nueva situación. El huésped desarrolla células especializadas para la bacteria que, a su vez, le provee de los nutrientes esenciales deficitarios. En esta nueva situación estable, la bacteria sufre un proceso reductivo del genoma. En ocasiones, una segunda especie bacteriana puede adherirse al consorcio. Aunque inicialmente esta nueva asociación podría ser facultativa, si la segunda bacteria proporciona beneficios a la asociación puede hacerse estable y co-evolucionar junto con el hospedador y el anterior endosimbionte (Moya et al, 2009). Dado que muchos genes se vuelven innecesarios debido a su redundancia el proceso reductivo continúa, pudiendo llegar a dos situaciones evolutivas bien distintas. En la primera de ellas, los integrantes de la simbiosis, huésped y endosimbiontes, establecerían la complementación necesaria para el mantenimiento del consorcio. Por otro lado, el proceso evolutivo puede dar lugar a un reemplazamiento de un endosimbionte por otro. Esta segunda situación ocurriría cuando el genoma de uno de los endosimbiontes se ve afectado por la pérdida de genes esenciales para la asociación, entrando en un proceso degenerativo extremo que terminaría con su extinción. Se han descrito dos ejemplos en la naturaleza que describen el proceso evolutivo de reemplazamiento. Por un lado, se postuló el reemplazo de B. aphidicola por una levadura de tipo ascomiceto en pulgones de la tribu Cerataphidini (Fukatsu e Ishikawa, 1992; 1996). También se ha descrito la existencia de dos casos de reemplazamiento ocurridos de manera independiente, en los gorgojos de la familia Dryophtoridae, de un endosimbionte establecido hace unos 100 m.a., por otros dos linajes (Lefèvre et al, 2004). Existen, además, evidencias experimentales de simbiontes secundarios que son capaces de ejercer hasta cierto punto el papel de B. aphidicola trás ser utilizados para infectar pulgones aposimbióticos mediante administración de antibióticos (Koga et al, 2003). El punto de partida de esta tesis fue la hipótesis planteada por Pérez-Brocal y colaboradores (2006) que consideraba que B. aphidicola, endosimbionte primario del pulgón C. cedri, dada su extrema reducción genómica había perdido determinadas funciones vitales para su propia supervivencia y la del pulgón y podría ser reemplazado por otro endosimbionte. En el capítulo 1 analizamos cuál era la situación de los endosimbiontes primarios y secundarios, de los pulgones de la subfamilia Lachninae a la que pertenece C. cedri. Además, como cepas de B. aphidicola de otros miembros de esta misma subfamilia presentaban también un tamaño genómico reducido del orden de 450-475 Kb podría estar ocurriendo un proceso evolutivo similar al descrito en Cinara cedri. Nuestros resultados revelan la existencia generalizada de endosimbiontes secundarios en todos los pulgones de la subfamilia Lachninae, así como, una presencia mayoritaria del tipo de endosimbionte S. symbiotica. Además, podemos llegar a diferenciar dos tipos distintos de S. symbiotica, con relaciones filogenéticas y morfológicas diferentes. Por un lado tenemos un tipo de Serratia con una morfología bacilar con una distribución en diferentes tejidos histológicos del pulgón (bacteriocitos, células de la vaina y hemocele) y filogenéticamente más emparentadas con las cepas de S. symbiotica localizadas en subfamilias de pulgones más alejadas, como es el caso de A. pisum. En diferentes trabajos, a este tipo de endosimbionte secundario se le ha asignado la función de favorecer la resistencia del pulgón a altas temperaturas. En cambio, el segundo tipo de S. symbiotica que corresponde al que está presente en C. cedri, tiene una morfología esférica y una distribución en bacteriocitos secundarios. Además, filogenéticamente se agrupa con cepas de S. symbiotica presentes sólo en pulgones de la subfamilia Lachninae. Este tipo de S. symbiotica presenta características más propias de endosimbiontes primarios que de secundarios. Así pues, estos resultados sugerían que la simbiosis establecida en Cinara cedri podría ser diferente a la que ocurría en otros miembros de la subfamilia Lachninae. Para esclarecer la naturaleza de la simbiosis del pulgón C. cedri en el capítulo 2 abordamos la secuenciación del genoma de S. symbiotica SCc del pulgón Cinara cedri. La secuenciación de S. symbiotica SCc nos mostró un genoma en una fase intermedia de reducción, presentando un tamaño genómico menor que otros endosimbiontes secundarios y bacterias de vida libre. También presenta una baja compactación génica, menor que otros endosimbiontes secundarios como H. defensa (Degan et al, 2009b). Asímismo, el contenido en G+C es superior al encontrado en B. aphidicola, pero menor que el de bacterias de vida libre. Estas características apuntan a un proceso de degradación génica caracterizado por la erosión de los pseudogenes hasta su total pérdida de homología. A nivel funcional S. symbiotica SCc es capaz de llevar a cabo sus procesos metabólicos de mantenimiento gracias a una red metabólica, aunque reducida, capaz de proporcionarle ATP y poder reductor y, por tanto, comportarse como una célula autónoma. El papel simbiótico de S. symbiotica SCc sería básicamente la producción de cofactores y vitaminas, siendo capaz de sintetizar riboflavina, función que no podía llevar acabo B. aphidicola BCc. Sin embargo, necesita la complementación de ruta para la síntesis de, al menos, tres cofactores. Sorprendentemente, estas complementaciones no sólo se realizan con el hospedador sino también con B. aphidicola BCc. Además, por lo que respecta a la síntesis de triptófano, es necesario que B. aphidicola BCc produzca antranilato y que este metabolito difunda hasta SCc para que finalice la síntesis de este aminoácido. El sistema formado por B. aphidicola BCc, S. symbiotica y C. cedri es capaz de suplir todas las necesidades del consorcio. Por tanto estos análisis muestran que B. aphidicola BCc no está siendo reemplazada por S. symbiotica SCc, sino que se ha establecido una estrecha complementación entre ambos endosimbiontes, de manera que la pérdida de cualquiera de las dos bacterias provocaría el fin del consorcio. A raíz de los resultados del capítulo 1 y del capítulo 2, nos planteamos el estudio del sistema simbiótico establecido en el pulgón C. tujafilina puesto que presenta una S. symbiotica con características diferentes a las observadas para S. symbiotica SCc, como la morfología bacilar y una distribución en diferentes tejidos que indicaban una reciente infección. Sin embargo, el tamaño genómico de B. aphidicola BCt no difiere prácticamente del de B. aphidicola BCc estando estos dos endosimbiontes primarios filogenéticamente muy próximos. En el capítulo 3 de esta tesis se aborda la secuenciación del genoma de B. aphidicola BCt. Las características genómicas encontradas fueron muy similares a la cepa BCc, como un tamaño genómico ligeramente superior, un contenido génico parecido (sólo dos genes más) y un contenido en G+C similar. A nivel metabólico BCt, al igual que BCc, es capaz de realizar las funciones generales de mantenimiento celular y siendo su papel simbiótico la síntesis de aminoácidos. Las diferencias encontradas son la perdida de los genes necesarios para el uso de glucosa como fuente de carbono, una estructura flagelar ligeramente más compleja y un sistema de reparación más reducido. El estudio de la pérdida independiente de genes tanto en B. aphidicola BCt como en BCc indicaría que la actuación de procesos estocásticos ha dado lugar a dos cepas de B. aphidicola distintas. Todos los datos obtenidos nos llevan a plantear una nueva hipótesis para el establecimiento de consorcios bacterianos. Cuando una segunda bacteria entra en un sistema ya bien establecido, como el caso de B. aphidicola con los pulgones, ésta que en un principio es facultativa puede perder genes puesto que los productos que necesita están siendo suministrados por el endosimbionte primario. Este sería el caso de H. defensa y R. insecticola endosimbiontes secundarios facultativos en diversas especies y cepas de pulgones (Moran et al, 2005). Estas bacterias facultativas son retenidas por conferir ciertas ventajas al sistema, (especialización en diferentes especies de plantas hospedadoras, protección contra avispas parasitoides, hongos entomopatógenos y estrés térmico). A partir de este momento, estos simbiontes secundarios se vuelven dependientes de Buchnera. Si en este momento B. aphidicola pierde alguno de los genes que codifican productos esenciales pero que pueden ser suministrados por la nueva bacteria, el consorcio queda establecido y se inicia el proceso de coevolución de todo el sistema. Este es el estado en que se encuentra C. cedri. En el caso de C. tujafilina parece estar en una fase previa, a la encontrada en C. cedri, puesto que los datos que conocemos en la actualidad sobre el genoma de S. symbiotica SCt, nos hacen pensar que el estado de degradación genómica de esta bacteria es inferior al de S. symbiotica SCc. Sólo la secuenciación del genoma de S. symbiotica, actualmente en proceso en nuestro laboratorio, nos dirá en qué fase del proceso se encuentra esta bacteria y todo el sistema.