stringtranslate.com

Вертикальная передача

Вертикальная передача симбионтов — это передача микробного симбионта от родителя непосредственно потомству. [1]   Многие виды метазоа переносят симбиотические бактерии, которые играют мутуалистическую , комменсальную или паразитическую роль. [1]   Симбионт приобретается хозяином посредством горизонтальной , вертикальной или смешанной передачи . [2]

Преимущества фитнеса

Вертикальная передача, передача симбиотической микрофлоры от родителей к потомству, распространена у видов животных, которые имеют родительскую заботу . Существуют преимущества для здоровья в предоставлении молодежи устоявшегося сообщества микроорганизмов на раннем этапе. [3]

  1. Развитие иммунной системы: микробы родителей формируют иммунную систему ребенка.
  2. Устойчивость к болезням: поскольку кожа уже колонизирована родительскими микробами, патогенной флоре сложнее закрепиться.
  3. Помощь пищеварению: микробы родителей могут помогать пищеварению, в результате чего детеныши могут выживать на рационе, который в противном случае не удовлетворял бы их потребности в питательных веществах.
  4. Адаптация к окружающей среде: микрофлора может помочь справиться с экологическим стрессом.
  5. Повышение социальной сплоченности: микробиом может вырабатывать неврологические или химические сигналы, которые изменяют социальное поведение. [4]

Эволюционные последствия

Между хозяином и симбионтом возникает сложная взаимозависимость. [5] Генетический пул симбионта, как правило, меньше и более подвержен генетическому дрейфу . [6] При истинной вертикальной передаче эволюционные результаты хозяина и симбионта связаны. [7] При смешанной передаче может быть введен новый генетический материал . [8] Как правило, симбионты обосновываются в определенных нишах и могут даже переносить часть своего генома в ядро ​​хозяина.

Преимущества

Механизм способствует тесно связанному эволюционному давлению, которое заставляет хозяина и симбионта функционировать как холобионт . [9]

Недостатки

Эволюционные узкие места приводят к меньшему разнообразию симбионтов , и, следовательно, устойчивости . Аналогично, это значительно снижает эффективный размер популяции . В конечном итоге, без притока нового генетического материала, популяция становится клонированной .  Мутации , как правило, сохраняются в симбионтах и ​​накапливаются с течением времени. [10]

Режимы передачи

Матрилинейный

Зародышевая линия

Поскольку яйцо содержит органеллы и имеет больше места и возможностей для передачи внутриклеточных симбионтов последующим поколениям, это очень распространенный метод вертикальной передачи. [1]   Внутриклеточные симбионты могут мигрировать из бактериоцита в яичники и включаться в зародышевые клетки. [11]

У растений вертикальная передача микробных эндофитов через зародышевую линию может происходить по материнской линии через семена. [12] Существует несколько механизмов, посредством которых семена могут по материнской линии заражаться эндофитами. Материнское растение может создавать сосудистые связи от своих соматических микробиомов к эндосперму . [12] В качестве альтернативы, эндофиты могут передаваться напрямую, когда репродуктивные органы развиваются в апикальной меристеме побега . [12]

Живорождение

Человеческие младенцы получают свой микробиом от своих матерей, из каждой сферы, где есть контакт. Это потенциально включает влагалище матери , желудочно-кишечный тракт , кожу , рот и грудное молоко . [13] Эти пути типичны, если роды происходят через естественные родовые пути и ребенок находится на грудном вскармливании. Когда происходят другие действия, такие как кесарево сечение , кормление из бутылочки или прием матерью антибиотиков во время кормления грудью, эти способы вертикальной передачи нарушаются. [14] [15]

Патрилинейный

Хотя это случается крайне редко, риккетсии передаются Nephotettix cincticep по отцовской линии в сперме . [16]

У растений вертикальная передача микробных эндофитов через зародышевую линию может происходить по отцовской линии через пыльцу . [12] Предполагается, что патрилинейная передача является общим механизмом передачи грибковых эндофитов, [12] а также бактерий. [17]

Родительская забота

Микробы могут передаваться через действия родителей, заботящихся о своем потомстве, например, через выращивание кишечных микробов посредством срыгивания . [18] Этот тип вертикальной передачи не всегда происходит через поведение генетического родителя; вместо этого другие члены социальной или семейной группы могут передавать микробное сообщество, что приводит к родственному отбору . [4] [19]

Апосимбиотический

У дождевых червей (Eisenia) есть внеклеточный симбионт, Verminephrobacter . Вместо того, чтобы передаваться через яйцо в зародышевой линии, молодые особи являются апосимбиотическими , пока находятся в яйцевой капсуле; однако они приобретают Verminephrobacter до того, как яйцевая капсула разрывается, так что это все еще вертикальная передача. [20]

Примеры

Беспозвоночные

Вертикальная передача эндосимбиотических бактерий очень распространена среди насекомых . [21]

Вольбахия

По оценкам, около 70% всех насекомых являются переносчиками бактерий Wolbachia , которые могут передаваться как вертикально, так и горизонтально . [22] В зависимости от вида хозяина, они могут функционировать как мутуалисты или патогены. [23] Чтобы поддерживать инфекцию в пределах вида хозяина, они должны проникнуть в формирующуюся яйцеклетку и передаваться через зародышевую линию. Чтобы улучшить скорость вертикальной передачи, Wolbachia может изменять репродуктивную систему своего хозяина [23] с помощью разнообразных механизмов, таких как индуцированный партеногенез , убийство самцов или феминизация . [24] Все это увеличивает долю инфицированных самок, что выгодно для инфекции, распространяемой по материнской линии.

Гороховая тля иБухнера

Гороховая тля не получает все необходимые аминокислоты из своего рациона. Их облигатный симбионт, Buchnera , синтезирует остаток. [11]  [25]

Головные вши иКандидат Риезия педикуликола

Головная вошь ( Pediculus humanus )  имеет обязательную симбиотическую связь с Candidatus Riesia pediculicola. Вошь обеспечивает убежище и защиту, в то время как бактерии обеспечивают необходимые витамины группы B. C. riesia живет в бактериоците , но перемещается в яичники, чтобы передаваться следующему поколению. [26] [27]

Мухи цеце иВигглсвортия глоссиндия

У мух цеце увлекательный жизненный цикл. Муха цеце рождает потомство, что крайне редко встречается среди насекомых. Муха оплодотворяет одно яйцо за раз, и в течение первых трех личиночных стадий единственное потомство развивается внутри матки матери, питаясь молочным веществом, поступающим из молочных желез в матке. [28] [29] [30] [31] Через «молоко» детеныши получают материнскую микрофлору , включая Wigglesworthia glossinidia , бактерии, обеспечивающие хозяина витаминами B, которых не хватает в питании мухи цеце, состоящем только из крови. [32] [33]

Социальные пауки

Социальные пауки Stegodyphus dumicola обитают в Намибии и Ботсване. Большинство самок в колонии — девственницы, но участвуют в уходе за потомством для воспроизводящих самок. [34] Потомство вылупляется без симбионтов, а бактериальные симбионты передаются вертикально из поколения в поколение посредством социальных взаимодействий с началом кормления срыгиванием (приемными) матерями на ранних стадиях развития. [19]

Позвоночные

Безногие земноводные

Безногие земноводные кормят детенышей через кожу матери, передавая им микрофлору , которая колонизирует кожу и кишечник детеныша. [35] Кожа матери приспособлена для этой цели, утолщаясь заранее и быстро восстанавливаясь после употребления, чтобы продолжать обеспечивать своих детенышей. Она повторяет этот процесс несколько раз в течение раннего развития без значительного вреда для себя. Повторяющийся характер кормления через кожу означает, что детеныши подвергаются воздействию микробиома матери несколько раз, что повышает вероятность успешной колонизации кишечника и кожи микробами.

Борнейские пенные лягушки

Головастики борнейских пенных лягушек Leptomantis harrissoni получают микробы как от своих родителей (по вертикали), так и из окружающей среды (по горизонтали). [3] Изначально их микробиомы напоминают микробиомы их родителей и внешний вид пенного гнезда, но после недели пребывания в пруду головастики подхватывают новые микробы из окружающей среды пруда.

Имитатор лягушки-дротика

Лягушка -дротик Ranitomeya imitator кормит головастиков неоплодотворенными трофическими яйцами. Анаэробные парабазальные простейшие передаются головастикам посредством вертикальной передачи. В кишечнике эти простейшие экспрессируют пищеварительные ферменты протеиназы. [36] Таким образом, они помогают молодняку ​​иметь возможность переваривать жир и белок в материнской яйцеклетке, а не растительные остатки в мини-пруду, в котором они живут. Гены, кодирующие протеиназы, отсутствуют в геноме Ranitomeya. Симбиоз позволяет Ranitpomeya imitator расширяться в новую экологическую нишу, а головастикам расти более крепко. [36] Другой механизм вертикальной передачи через родительскую заботу происходит, когда отец переносит головастика на спине от яйца до бассейна для размножения, что дает головастику возможность получать микрофлору по отцовской линии. [37]

Ссылки

  1. ^ abc Bright M, Bulgheresi S (март 2010). «Сложное путешествие: передача микробных симбионтов». Nature Reviews. Microbiology . 8 (3): 218–230. doi : 10.1038/nrmicro2262. PMC  2967712. PMID  20157340.
  2. ^ Koga R, Bennett GM, Cryan JR, Moran NA (июль 2013 г.). «Эволюционная замена облигатных симбионтов в древней и разнообразной линии насекомых». Environmental Microbiology . 15 (7): 2073–2081. Bibcode : 2013EnvMi..15.2073K. doi : 10.1111/1462-2920.12121. PMID  23574391.
  3. ^ ab McGrath-Blaser S, Steffen M, Grafe TU, Torres-Sánchez M, McLeod DS, Muletz-Wolz CR (декабрь 2021 г.). «Траектория микробов кожи в раннем возрасте как функция вертикальной и экологической передачи у борнейских пенных лягушек». Animal Microbiome . 3 (1): 83. doi : 10.1186/s42523-021-00147-8 . PMC 8686334 . PMID  34930504. 
  4. ^ ab Archie EA, Tung J (2015-12-01). «Социальное поведение и микробиом». Current Opinion in Behavioral Sciences . Интегративное исследование поведения животных. 6 : 28–34. doi : 10.1016/j.cobeha.2015.07.008 . ISSN  2352-1546.
  5. ^ Perotti MA, Clarke HK, Turner BD, Braig HR (ноябрь 2006 г.). «Риккетсии как облигатные и мицетомные бактерии». FASEB Journal . 20 (13): 2372–2374. doi : 10.1096/fj.06-5870fje . PMID  17012243. S2CID  30841294.
  6. ^ Wernegreen JJ, Moran NA (январь 1999). «Доказательства генетического дрейфа у эндосимбионтов (Buchnera): анализ генов, кодирующих белки». Молекулярная биология и эволюция . 16 (1): 83–97. doi : 10.1093/oxfordjournals.molbev.a026040 . PMID  10331254.
  7. ^ Vautrin E, Vavre F (март 2009). «Взаимодействие между вертикально передающимися симбионтами: сотрудничество или конфликт?». Trends in Microbiology . 17 (3): 95–99. doi :10.1016/j.tim.2008.12.002. PMID  19230673.
  8. ^ Quigley KM, Warner PA, Bay LK, Willis BL (декабрь 2018 г.). «Неожиданная смешанная передача и умеренная генетическая регуляция сообществ Symbiodinium в высиживающем коралле». Наследственность . 121 (6): 524–536. doi :10.1038/s41437-018-0059-0. PMC 6221883. PMID  29453423 . 
  9. ^ Моррис Дж. Дж. (19 октября 2018 г.). «Что такое концепция хологенома эволюции?». F1000Research . 7 : 1664. doi : 10.12688/f1000research.14385.1 . PMC 6198262. PMID  30410727 . 
  10. ^ Смит NH, Гордон SV, де ла Руа-Доменек R, Клифтон-Хэдли RS, Хьюинсон RG (сентябрь 2006 г.). «Узкие места и метлы: молекулярная эволюция Mycobacterium bovis». Nature Reviews. Микробиология . 4 (9): 670–681. doi :10.1038/nrmicro1472. PMID  16912712. S2CID  2015074.
  11. ^ ab Simonet P, Gaget K, Balmand S, Ribeiro Lopes M, Parisot N, Buhler K и др. (февраль 2018 г.). «Смерть бактериоцитных клеток в симбиотической системе гороховой тли/Buchnera». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 115 (8): E1819–E1828. Bibcode : 2018PNAS..115E1819S. doi : 10.1073/pnas.1720237115 . PMC 5828623. PMID  29432146 . 
  12. ^ abcde Frank AC, Saldierna Guzmán JP, Shay JE (декабрь 2017 г.). "Передача бактериальных эндофитов". Microorganisms . 5 (4): 70. doi : 10.3390/microorganisms5040070 . ISSN  2076-2607. PMC 5748579 . PMID  29125552. 
  13. ^ Bäckhed F, Roswall J, Peng Y, Feng Q, Jia H, Kovatcheva-Datchary P и др. (Май 2015 г.). «Динамика и стабилизация микробиома кишечника человека в течение первого года жизни». Cell Host & Microbe . 17 (5): 690–703. doi : 10.1016/j.chom.2015.04.004 . PMID  25974306.
  14. ^ Cox LM, Yamanishi S, Sohn J, Alekseyenko AV, Leung JM, Cho I и др. (август 2014 г.). «Изменение кишечной микробиоты в критический период развития имеет долгосрочные метаболические последствия». Cell . 158 (4): 705–721. doi :10.1016/j.cell.2014.05.052. PMC 4134513 . PMID  25126780. 
  15. ^ Домингес-Белло МГ, Костелло ЕК, Контрерас М, Магрис М, Идальго Г, Фирер Н и др. (июнь 2010 г.). «Способ доставки формирует приобретение и структуру начальной микробиоты в различных средах обитания тела у новорожденных». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (26): 11971–11975. Bibcode : 2010PNAS..10711971D. doi : 10.1073 /pnas.1002601107 . PMC 2900693. PMID  20566857. 
  16. ^ Ватанабэ К, Юкухиро Ф, Мацуура И, Фукацу Т, Нода Х (май 2014 г.). «Внутриспермная вертикальная симбиотическая передача». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 111 (20): 7433–7437. Bibcode : 2014PNAS..111.7433W. doi : 10.1073/pnas.1402476111 . PMC 4034255. PMID  24799707 . 
  17. ^ Hodgson S, de Cates C, Hodgson J, Morley NJ, Sutton BC, Gange AC (апрель 2014 г.). «Вертикальная передача эндофитов грибов широко распространена в разнотравье». Ecology and Evolution . 4 (8): 1199–1208. Bibcode : 2014EcoEv...4.1199H. doi : 10.1002/ece3.953. ISSN  2045-7758. PMC 4020682. PMID 24834319  . 
  18. ^ Miller CJ, Bates ST, Gielda LM, Creighton JC (2019-12-02). «Изучение передачи кишечных бактерий в консервированную тушу через анальные выделения у Nicrophorus defodiens». PLOS ONE . 14 (12): e0225711. Bibcode : 2019PLoSO..1425711M. doi : 10.1371/journal.pone.0225711 . ISSN  1932-6203. PMC 6886834. PMID 31790470  . 
  19. ^ ab Rose C, Lund MB, Søgård AM, Busck MM, Bechsgaard JS, Schramm A и др. (июнь 2023 г.). «Социальная передача бактериальных симбионтов гомогенизирует микробиом внутри и между поколениями пауков, живущих в группах». ISME Communications . 3 (1): 60. doi :10.1038/s43705-023-00256-2. PMC 10276852. PMID  37330540 . 
  20. ^ Davidson SK, Stahl DA (январь 2006 г.). «Передача нефридиальных бактерий дождевого червя Eisenia fetida». Прикладная и экологическая микробиология . 72 (1): 769–775. Bibcode :2006ApEnM..72..769D. doi :10.1128/AEM.72.1.769-775.2006. PMC 1352274. PMID  16391117 . 
  21. ^ Ferrari J, Vavre F (май 2011). «Бактериальные симбионты у насекомых или история сообществ, влияющих на сообщества». Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Серия B, Биологические науки . 366 (1569): 1389–1400. doi :10.1098/rstb.2010.0226. PMC 3081568. PMID  21444313 . 
  22. ^ Чубдар Н., Каримян Ф., Куша М., Неджати Дж., Шабани Кордшули Р., Азарм А. и др. (20 апреля 2023 г.). Пьетри Дж (ред.). «Инфекция Wolbachia в местных популяциях Blattella germanica и Periplaneta americana». ПЛОС ОДИН . 18 (4): e0284704. Бибкод : 2023PLoSO..1884704C. дои : 10.1371/journal.pone.0284704 . ПМЦ 10118093 . ПМИД  37079598. 
  23. ^ ab Correa CC, Ballard JW (2016). "Ассоциации Wolbachia с насекомыми: победа или поражение против мастера-манипулятора". Frontiers in Ecology and Evolution . 3. doi : 10.3389/fevo.2015.00153 . ISSN  2296-701X.
  24. ^ Vavre F, Mouton L, Pannebakker BA (2009-01-01), "Глава 12 Сообщества Drosophila–Parasitoid как модельные системы для взаимодействий хозяин–Wolbachia", Advances in Parasitology Volume 70 , т. 70, Academic Press, стр. 299–331, doi :10.1016/s0065-308x(09)70012-0, ISBN 978-0-12-374792-1, PMID  19773076 , получено 2024-05-06
  25. ^ Douglas AE (январь 1998). «Пищевые взаимодействия в симбиозах насекомых и микробов: тли и их симбиотические бактерии Buchnera». Annual Review of Entomology . 43 (1): 17–37. doi :10.1146/annurev.ento.43.1.17. PMID  15012383.
  26. ^ Sasaki-Fukatsu K, Koga R, Nikoh N, Yoshizawa K, Kasai S, Mihara M и др. (ноябрь 2006 г.). «Симбиотические бактерии, связанные с желудочными дисками человеческих вшей». Applied and Environmental Microbiology . 72 (11): 7349–7352. Bibcode :2006ApEnM..72.7349S. doi :10.1128/AEM.01429-06. PMC 1636134 . PMID  16950915. 
  27. ^ Человеческая ДНК, извлеченная из гнид на древних мумиях, проливает свет на происхождение Южной Америки. SciTechDaily, 28 декабря 2021 г. Источник: Университет Рединга.
  28. ^ Benoit JB, Attardo GM, Baumann AA, Michalkova V, Aksoy S (январь 2015 г.). «Аденотрофное живорождение у мух цеце: потенциал для контроля популяции и как модель насекомых для лактации». Annual Review of Entomology . 60 (1): 351–371. doi :10.1146/annurev-ento-010814-020834. PMC 4453834 . PMID  25341093. 
  29. ^ Langley PA (декабрь 1977 г.). «Физиология мух цеце (Glossina spp.) (Diptera: Glossinidae): обзор». Бюллетень энтомологических исследований . 67 (4): 523–574. doi :10.1017/S0007485300006933. ISSN  1475-2670.
  30. ^ Denlinger DL, Ma WC (июнь 1974). «Динамика цикла беременности у мухи цеце Glossina morsitans». Журнал физиологии насекомых . 20 (6): 1015–1026. doi :10.1016/0022-1910(74)90143-7. PMID  4839338.
  31. ^ Attardo GM, Tam N, Parkinson D, Mack LK, Zahnle XJ, Arguellez J, et al. (сентябрь 2020 г.). «Интерпретация морфологических адаптаций, связанных с живорождением у мухи цеце Glossina morsitans (Westwood), с помощью трехмерного анализа». Насекомые . 11 (10): 651. doi : 10.3390/insects11100651 . PMC 7650751. PMID  32977418 . 
  32. ^ Аксой С (октябрь 1995 г.). «Wigglesworthia gen. nov. и Wigglesworthia glossinidia sp. nov., таксоны, состоящие из мицетоцит-ассоциированных первичных эндосимбионтов мух цеце». Международный журнал систематической бактериологии . 45 (4): 848–851. doi :10.1099/00207713-45-4-848. PMID  7547309.
  33. ^ Weiss BL, Rio RV, Aksoy S (сентябрь 2022 г.). «Профиль микроба: Wigglesworthia glossinidia: важный друг мухи цеце». Микробиология . 168 (9). doi : 10.1099/mic.0.001242 . PMC 10723186. PMID  36129743 . 
  34. ^ Junghanns A, Holm C, Schou MF, Sørensen AB, Uhl G, Bilde T (октябрь 2017 г.). «Экстремальная материнская забота и неравное участие в выполнении задач неспаренных самок у кооперативно размножающегося паука». Animal Behaviour . 132 : 101–107. doi :10.1016/j.anbehav.2017.08.006.
  35. ^ Kouete MT, Bletz MC, LaBumbard BC, Woodhams DC, Blackburn DC (май 2023 г.). «Родительская забота способствует вертикальной передаче микробов у червяг, питающихся кожей и развивающихся напрямую». Animal Microbiome . 5 (1): 28. doi : 10.1186/s42523-023-00243-x . PMC 10184399 . PMID  37189209. 
  36. ^ ab Weinfurther KD, Stuckert AM, Muscarella ME, Peralta AL, Summers K (июнь 2023 г.). «Доказательства наличия парабазального кишечного симбионта у головастиков ядовитых лягушек, питающихся яйцами, в Перу». Эволюционная биология . 50 (2): 239–248. Bibcode : 2023EvBio..50..239W. doi : 10.1007/s11692-023-09602-7 . ISSN  0071-3260.
  37. ^ Маседо Р. Х., Мачадо Г., ред. (2014). Половой отбор: перспективы и модели из Неотропики. Амстердам; Бостон: Elsevier, AP. ISBN 978-0-12-416028-6. OCLC  854749429.