Штаммы-«камикадзе» и ошибки, стоящие паразитам жизни — Naked Science
25 минут
Сибирское отделение РАН

Штаммы-«камикадзе» и ошибки, стоящие паразитам жизни

Грибы могут совершать «самоубийство», а эволюция любит «середнячков». Вы еще многого не знаете о паразитах, но мы расскажем.

Гриб-паразит Кордицепс на муравье
Гриб-паразит Кордицепс на муравье / ©dobrocom.info

Вирусы, бактерии, грибы, гельминты — основные группы паразитов не только позвоночных животных и человека, но и насекомых. Внутри этих маленьких существ постоянно кто-то живет, используя их как среду обитания, источник пищи или «транзитную зону» для поиска конечного хозяина.

От такого соседства насекомые могут совершенно не страдать, а могут поплатиться жизнью: энтомопатогенные грибы или некоторые нематоды (круглые черви) убивают «свое» насекомое, потому что иначе им не продолжить жизненный цикл. В популяциях грибов встречаются и совсем нестандартные жизненные стратегии. Например, гриб может совершить «самоубийство», находясь в организме хозяина, заодно убив и его самого. Причины формирования такого поведения у штаммов «камикадзе» пока не до конца раскрыты.

«Правила» сосуществования насекомых и их симбионтов (организмов — участников симбиоза) весьма сходны со взаимоотношениями симбионтов с позвоночными животными, в том числе с человеком. Некоторые, попадая в организм, получают убежище и, не нанося вреда хозяину, просто живут внутри него, другие — приносят пользу, помогают переваривать пищу, третьи — условные патогены — способны нанести вред организму только при ослаблении его иммунитета, четвертые — факультативные или специализированные паразиты — приводят к патологическим изменениям в органах, тканях.

Но, в отличие от взаимоотношений паразиты — млекопитающие, для которых эволюция сделала все, чтобы они могли как можно дольше сосуществовать, отношения паразит — насекомое часто оканчиваются гибелью последнего. Некоторым видам паразитов просто необходимо убить хозяина, чтобы дать дочернее потомство и продолжить жизненный цикл.

Исключениями во вполне удачно сложившихся отношениях паразитов и млекопитающих являются случаи заражения бациллами Bacillus anthracis (возбудитель сибирской язвы) и бактериями Yersinia pestis (возбудитель бубонной чумы). Они также часто приводят к гибели хозяина. Эволюционно эти группы пока не приспособились к сосуществованию.

И хотя от некоторых паразитов у насекомых нет возможности спастись, система защиты, которую природа разработала для этого класса беспозвоночных членистоногих животных, очень мощная и способна победить значительную часть болезнетворных организмов.

«Защищайтесь, сударь!»

«При проникновении паразита в организм насекомого через кутикулу (наружный скелет) или через кишечник запускается целый каскад разнообразных защитных процессов, — рассказывает заведующий лабораторией экологической паразитологии Института систематики и экологии животных СО РАН (ИСиЭЖ СО РАН), доктор биологических наук Вадим Крюков.

Штаммы-«камикадзе» и ошибки, стоящие паразитам жизни
Штаммы-«камикадзе» и ошибки, стоящие паразитам жизни

Нитевидные образования (гифы) и конидиоспоры, формируемые грибами на поверхности убитых ими насекомых. Конидиоспоры способны пассивно распространяться потоками ветра, воды, микроартроподами (мелкими почвенными членистоногими), например, почвенными клещами и коллемболами, и заражать новых особей хозяев / ©Фото предоставлено Вадимом Крюковым

— Еще только при “высадке” на кутикулу, скажем, грибов, организм насекомого незамедлительно начинает реагировать — запускается процесс меланизации. Меланин — высокомолекулярный пигмент черного или темно-коричневого цвета — становится физическим барьером для паразита и не дает ему продвинуться дальше, образуя вокруг него меланиновую оболочку.

Дополнительно ослабляют паразита токсичные соединения, вырабатывающиеся при образовании меланина. Если же гриб все-таки смог проникнуть через кутикулу в полость тела насекомого, включается уже не только гуморальный, но и клеточный иммунитет: клетки крови (гемоциты) начинают процесс фагоцитоза, инкапсуляции инородных тел. Из такой капсулы патоген может уже не выбраться».

Насекомое многократно линяет, меняя старую хитиновую оболочку на новую. Линька — сложный физиологический процесс, во время которого организм зачастую полностью перестраивается. Благодаря линьке, насекомое может избавиться от паразита, закрепившегося на кутикуле, но еще не попавшего в полость тела.

Насекомое встречает болезнетворный микроорганизм в полной боевой готовности, но и паразит — тактик не хуже. В его арсенале — выработка ферментов, разрушающих скелет «жертвы», синтез токсинов, способных угнетать иммунитет, и многое другое. Исход этой битвы зависит от уровня вирулентности (болезнетворности) патогена, дозы инфекции и уровня иммунитета насекомого.

Но победа не всегда однозначна. Случается, что насекомое на стадии личинки побеждает инфекцию, но она персистирует (сохраняется в полости тела) и может проявиться уже на следующих стадиях жизненного цикла, если действуют факторы, ослабляющие иммунитет насекомого. Известны и другие интересные случаи: например, насекомое может не выдержать стресса от воздействия различных систем собственного организма и погибнуть, по сути, от самого себя. 

Ошибки, совершаемые паразитами, и грибы-«камикадзе»

Стратегия большинства природных линий энтомопатогенных грибов направлена на то, чтобы убить хозяина, полностью заполнить его тело гифами (нитевидными образованиями), после чего снова прорасти через кутикулу, но уже в обратную сторону, и дать дочернее поколение спор, таким образом продолжив свой «род».

Однако при развитии грибных патогенезов нередко происходят различные сбои, при которых энтомопатогенные грибы убивают хозяина, при этом не завершая своего жизненного цикла. Такие «самоубийства», когда гриб по ряду причин не может полноценно развиться на хозяине или внутри него, встречаются довольно часто. Условно эти сбои и «самоубийства» можно разделить на зависящие от хозяина / внешних факторов / определенного стечения обстоятельств и на те, что определяются внутренней организацией самого паразита.

Штаммы-«камикадзе» и ошибки, стоящие паразитам жизни
Классический и «суицидальный» пути развития микоза. Верхний ряд иллюстрирует цикл развития Metarhizium со стандартным жизненным циклом: проникновением гриба через кутикулу насекомого, заполнением его тела гифами и их обратным прорастанием через кутикулу. В нижнем ряду изображено насекомое, убитое штаммом «камикадзе»: гриб успешно проник в полость тела насекомого, колонизировал его, но не смог прорасти наружу (наблюдается гниение «грибницы») / ©Фото предоставлено Вадимом Крюковым

«К первой группе можно отнести случаи, когда паразит попал “не туда”. Например, оказался не на том хозяине, активировался и начал прорастать внутрь кутикулы, а неспецифический хозяин блокировал его развитие на этапе проникновения. Однако и сам хозяин может погибнуть вместе с умершим паразитом из-за сильной меланизации кутикулы, после чего успешная линька уже невозможна», — рассказывает Вадим Крюков.

Также паразит может попасть не в тот орган. Например, гриб, чей основной путь в организм насекомого лежит через кутикулу, попадает в кишечник. Несмотря на то что там гриб плохо ориентируется, он все равно начинает продуцировать ряд ферментов (например, протеаз), чтобы прорасти в полость тела. Такая ситуация характерна, например, для энтомопатогенных грибов Metarhizium и личинок комаров. Следствием этого становится гибель и насекомого, и гриба.

Другой интересный вариант неосознанного «суицида» — высокая доза паразита или высокая наработка собственных токсических веществ. Численность паразитов или концентрация их токсинов так высока, что в хозяине происходят настолько сильные морфофизиологические изменения, что они не дают жить и паразиту. Погибают оба.

Еще одна ошибка, совершив которую, паразит вынужден погибнуть, — выбор хозяина, который уже заражен более агрессивным паразитом. Например, если энтомопатогенный гриб проникает в хозяина, у которого идет активное развитие бактериоза, это приводит к комплексной (бактериально-грибной) инфекции и очень быстрой гибели насекомого.

Бактерии при этом могут иметь конкурентное преимущество перед грибами из-за более высокой скорости размножения — в этой ситуации гриб погибает. Эта особенность (стремительное течение смешанной инфекции) находит свое применение в создании комплексных препаратов против насекомых, в основе которых используются штаммы бактериальных и грибных патогенов.

Подобные случаи происходят у насекомых не только с грибами и бактериями, но и с другими паразитами. Например, паразитические насекомые (паразитоиды) по ошибке или по незнанию выбирают насекомых, зараженных грибами. В ситуации, когда встречаются паразитоид, гриб и насекомое-хозяин, силы неравны. Гриб, пользуясь тем, что паразитоид ослабляет иммунитет хозяина, более эффективно колонизирует организм последнего, после чего убивает и того, и другого.

Штаммы-«камикадзе» и ошибки, стоящие паразитам жизни
Фазы жизненного цикла энтомопатогенных грибов. Некоторым видам паразитов просто необходимо убить насекомое-хозяина, чтобы дать дочернее потомство и продолжить свой жизненный цикл / ©Фото предоставлено Вадимом Крюковым 

Наконец, второй случай, когда «суицидальное» поведение грибов не зависит от внешних факторов и диктуется исключительно внутренними особенностями паразита. Такие штаммы успешно проникают в полость тела насекомого-хозяина, убивают и заселяют его, но затем погибают, после чего запускается процесс размножения сопутствующих бактерий и «грибница» внутри хозяина сгнивает.

Такие штаммы иногда можно выделить из природных источников, однако чаще этот тип поведения встречается у селектированных лабораторных штаммов или генетически модифицированных культур.

«Причин такого поведения может быть много. Дело в том, что обратный рост гиф (из убитого хозяина через кутикулу на поверхность) — весьма деликатный процесс, более деликатный, чем проникновение через кутикулу внутрь тела, — рассказывает Вадим Крюков. — Изменения в самых различных участках генома гриба могут привести к неспособности производить споры на убитом хозяине.

Например, искусственные изменения в генах, связанных с повышением или понижением синтеза ферментов (хитиназ и протеаз), некоторых вторичных метаболитоврегуляцией pH, устойчивостью к температурному стрессу и другие факторы, могут вызвать данное отклонение и “превратить” обычный органичный (сбалансированный) штамм в штамм-“камикадзе”». 

Эволюция любит середнячков но, возможно, и у «камикадзе» есть причины жить

Высоко- и низковирулентные паразиты (с высоким и низким уровнем болезнетворности) встречаются редко: природе это невыгодно, ведь в обоих случаях организм легко исчезает из сообщества. Чтобы хорошо жить, нужно быть середнячком — обладать умеренной вирулентностью.

Штаммы-«камикадзе» и ошибки, стоящие паразитам жизни
Гриб рода Cordyceps на муравье

Штаммы «камикадзе» не попадают в золотую середину, но, рискуя элиминировать, способны реализовать другую жизненную стратегию. В начале 2000-х было обнаружено, что энтомопатогенные грибы имеют альтернативную жизненную стратегию. Помимо развития на насекомых, они способны колонизировать растения, но при этом воздействовать на последних положительно.

Через собственный мицелий грибы могут поставлять к корням растений азот от убитых насекомых и тем самым стимулировать их рост.

Специалисты лаборатории экологической паразитологии ИСиЭЖ СО РАН совместно с коллегами из Центра коллективного пользования «Геномика» Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН и Института почвоведения и агрохимии СО РАН провели исследования, в которых изучили связь с растениями у «обычных» штаммов, которые убивают насекомых и успешно спороносят на них, и штаммов-«камикадзе». Исследования проводились на штаммах одного вида гриба — Metarhizium robertsii. Работа подана в печать.

На основе грибов, приспособленных к эндофитной колонизации, можно создавать препараты комплексного действия, которые не только убивают насекомых-вредителей, но и приводят к стимуляции роста и повышению урожайности сельскохозяйственных культур. Эксперименты в полях, проведенные сотрудниками ИСиЭЖ СО РАН совместно с сотрудниками Новосибирского государственного аграрного университета, показали, что данные грибы стимулируют рост картофеля, одновременно защищая клубни от фитопатогенов. Работа также подана в печать.

«Оказалось, грибы-“камикадзе” могут быть более полезными для растений, чем грибы с классическим жизненным циклом, — рассказывает Вадим Крюков. — Бактериальное разложение насекомых, убитых штаммами-“камикадзе”, приводит к более быстрому высвобождению неорганического азота, необходимого растениям. Кроме того, эти девиантные штаммы вполне активно колонизируют ткани растений и лучше, чем “классические”, стимулируют их рост.

Возможно, девиантные штаммы больше приспособлены к жизни внутри и на растениях, а штаммы с классическим циклом — к симбиозу с насекомым. Однако до сих пор не известно, могут ли энтомопатогенные грибы самовоспроизводиться внутри и на растениях, то есть давать дочерние поколения инфекционных структур при развитии, например, в ризосферной зоне (узком участке почвы, прилегающем к корням растения и попадающем под непосредственное действие корневых выделений и почвенных микроорганизмов). Работы в этом направлении продолжаются».

Работы поддержаны проектами РНФ и РФФИ № 18-34-20060.

Автор текста — Татьяна Морозова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сибирское отделение Российской академии наук — крупнейшее региональное отделение РАН, которое обеспечивает научно-методическое руководство над деятельностью ряда организаций РАН, расположенных в Сибири.
Вчера, 19:28
9 минут
Мария Азарова

На фоне новостей о введении обязательной вакцинации для некоторых категорий жителей российских регионов встает логичный вопрос, а какой вакциной все же прививаться. И если о разработанном в Центре Гамалеи «Спутнике-V» в последние месяцы мы слышали многое, то по второму российскому препарату — «ЭпиВакКороне» — в международном научном журнале не публиковали и окончательных результатов исследований. Сегодня директор центра «Вектор» рассказал некоторые подробности о своей вакцине.

Вчера, 12:51
25 минут
Александр Речкин

Первые попытки изучения Марса землянами датируются второй половиной XX века, но они далеко не всегда были успешными. Осуществить мягкую посадку на Красную планету очень и очень непросто: последний провал в этой области произошел уже в XXI веке. Тем не менее земным ученым удалось многое разузнать. А насколько хороши ваши знания в этой сфере?

4 часа назад
9 минут
НИУ ВШЭ

Психолингвисты из Центра языка и мозга НИУ ВШЭ совместно с коллегами из Городского университета Нью-Йорка и Университета Штутгарта выяснили, чем отличается чтение на русском языке у разных групп читателей. Для этого они впервые использовали новый для билингвизма метод сравнения движения глаз взрослых носителей русского языка, русскоязычных детей и взрослых билингвов с разным уровнем владения языком.

12 июня
58 минут
Николай Цыгикало

Грохот уходящих в космос ракет, гигантские столбы огня, колоссальная сила, превосходящая силу тяжести. Форсажный рев боевых самолетов. Самое громкое и мощное силовое устройство человека. Все это — канал особой формы и особых свойств, радикально изменивший человечество. В чем его суть и как происходит трудное рождение сверхзвука — читайте в нашем материале.

15 июня
4 минуты
Сергей Васильев

Галактические нити крупномасштабной структуры Вселенной тянутся на сотни миллионов световых лет — и, как оказалось, вращаются, увлекая в движение все свои галактики.

12 июня
9 минут
Василий Парфенов

Российские эпидемиологи считают, что в столице могла появиться своя разновидность вируса SARS-CoV-2. Кроме того, по мнению специалистов Центра имени Гамалеи, сейчас важным является индийский штамм коронавируса. По отношению к нему активность сывороток у вакцинированных и переболевших Covid-19 снижена в 2-3 раза.

24 мая
23 минуты
Ольга Иванова

«Сексуальную революцию совершили задние сиденья автомобилей», – заявил в свое время американский общественный деятель Джерри Рубин. И ошибся. Раскрепощение нравов происходило задолго до появления машин, причем много раз. Оно напоминает движение маятника. Как и почему вершились «секшал революшнс» и стоим ли мы на пороге нового витка сексуальности или же нас ждет ужесточение морали? Об этом – в нашем материале.

9 июня
4 минуты
Ольга Иванова

Международная команда исследователей изучила геологию и условия существования самого большого моря в истории планеты — Паратетиса.

27 мая
51 минута
Александр Березин

Хотя в прессе много пишут об исключительно редких «побочках» от вакцин, практика показывает, что бояться надо совсем другого. Самым страшным врагом привитого остается... коронавирус. Даже после вакцин Pfizer или Moderna от него иногда умирают — и подобных случаев уже сотни. Разумеется, среди непривитых таких на порядки больше, но погибшим и членам их семей от этого не легче. Еще хуже то, что две из трех российских вакцин, похоже, защищают от ковида намного слабее Pfizer и Moderna. Это довольно странно с учетом того, что третий российский препарат в этом плане не уступает западным аналогам. Почему российские власти финансируют миллионные тиражи слабой вакцины, имея в распоряжении вполне полноценную?

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: