Бактериальную стерилизацию опасных комаров ученые планируют приложить к сельскохозяйственным насекомым вредителям

После определения основного пути, вызывающего у насекомых бактериальное бесплодие, исследователи приступают к разработке новых методик для биологизации АПК, чтобы уменьшить применение агрохимических инсектицидов.
🔹
Широко распространенная бактерия под названием вольбахия (Wolbachia) и вирус, который она несет, могут вызывать бесплодие у самцов насекомых, захватывая их сперму, не позволяя им оплодотворять яйцеклетки самок, которые не имеют такой же комбинации бактерий и вирусов.
Научная работа, проведенная исследователями микробиома из Университета штата Пенсильвания, показала, как эта микробная комбинация манипулирует спермой, что может привести к разработке усовершенствованных методов борьбы с популяциями сельскохозяйственных насекомых-вредителей и насекомых, которые переносят людям такие заболевания, как Зика и лихорадка денге, сообщает в релизе Пенсильванского Университета Гейл МакКормик.
«Вольбахия является наиболее распространенной бактерией у животных и живет в симбиозе с репродуктивными тканями около 50% видов насекомых, включая некоторых комаров и мух. В геном Wolbachia интегрированы гены вируса под названием профаг WO. Эти гены — cifA и cifB — позволяют бактериям замечательно манипулировать спермой и быстро распространяться среди насекомых ради собственного блага», — рассказал Сет Борденштейн, профессор биологии и энтомологии, директор Центра микробиома One Health в Университете Пенсильвании.
Когда самец и самка насекомого, у которых есть вольбахия, спариваются, они успешно размножаются и передают бактерии. Но когда самец с вольбахией спаривается с самкой без вольбахии, сперма становится смертельной для оплодотворенных яйцеклеток, в результате чего они погибают. Эта система хитроумно увеличивает долю потомства с вольбахией и вирусом в следующем поколении, поскольку самки с бактериями успешно размножаются чаще, чем самки без нее.
Эта система используется в нескольких текущих пилотных исследованиях по всему миру для борьбы с насекомыми-вредителями и опасными вирусными заболеваниями, которые они переносят. Например, чтобы контролировать популяцию сельскохозяйственных или человеческих вредителей, у которых нет бактерий, ученые выпускают самцов с Wolbachia, чтобы уничтожить популяцию.
«Одна из сверхспособностей вольбахии заключается в том, что она блокирует патогенные РНК-вирусы, такие как вирус Зика, денге и чикунгунья, поэтому комары с вольбахией не передают эти вирусы людям при укусе, — поясняет Борденштейн. — Таким образом, выпуск как самцов, так и самок комаров с вольбахией в район, где ее еще нет, приводит к замене популяции комарами, которые больше не могут передавать вирусное заболевание. Всемирная программа по борьбе с комарами-переносчиками заболеваний теперь использует вольбахию для борьбы с ними в 11 странах. Благодаря этому исследованию мы раскрываем основную механику того, как работает этот процесс, чтобы точно настроить метод и расширить его сферу применения в целях борьбы с насекомыми переносчиками болезней или сельскохозяйственными вредителями».
Гены WO-профага вольбахии кодируют белки, которые мешают нормальному развитию сперматозоидов. Эти белки влияют на критическую трансформацию во время развития спермы, когда геном спермы переупаковывается и сперма меняет форму с «каноэ» на более утонченную игольчатую форму.
«Это изменение формы невероятно важно для успеха сперматозоидов, и любое вмешательство может повлиять на способность спермы перемещаться по женским репродуктивным путям и успешно оплодотворять яйцеклетку. Переход очень консервативен практически у всех, от насекомых до людей. Дефекты в этом процессе также могут вызывать мужскую стерильность у людей», — сказал Рупиндер Каур, доцент кафедры биологии и энтомологии в Пенсильванском университете, руководитель другой исследовательской группы в этом тематическом исследовании.
По ученых, во время этого перехода сперма особенно склонна к повреждению ДНК. В этом исследовании они обнаружили, что сперматозоиды, подвергшиеся воздействию Wolbachia или только белков Cif, на этой стадии имели повышенный уровень повреждения ДНК. Повреждение ДНК, если его не устранить своевременно, может привести к аномальной упаковке генома сперматозоидов, мужскому бесплодию и нежизнеспособности эмбриона.
«Эти результаты подтвердили влияние белков Wolbachia и Cif на этой стадии развития сперматозоидов, но мы все равно хотели знать, что происходило на более ранних стадиях, чтобы вызвать эти изменения, — продолжает Каур. — Мы провели серию тестов для изучения структуры и биохимических функций белков Cif и обнаружили, что они могут расщеплять молекулы-мессенджеры, называемые длинными некодирующими РНК, что создает основу для вмешательства в дальнейшее развитие и функционирование сперматозоидов».
Исследователи использовали плодовых мух с Wolbachia, чтобы проверить потенциальную связь между бактериями и длинной некодирующей РНК. Они обнаружили, что Wolbachia – или одни только белки Cif – уменьшают количество этих РНК. Кроме того, мутантные мухи со сниженной экспрессией этих РНК в сочетании с Wolbachia имели повышенный уровень эмбриональной нежизнеспособности, поскольку это усиливало дефектный переходный процесс развития сперматозоидов. Итак, говорит Каур, вирусные белки контролируют сперму, уничтожая длинные некодирующие РНК, необходимые для нормального функционирования сперматозоидов.
«Длинные некодирующие РНК сами по себе не производят никаких белков, но они могут оказывать глубокое влияние на регуляцию функции других генов, необходимых для развития сперматозоидов. Изменяя эту некодирующую часть генома, мы обнаружили, что белки Cif начинают влиять на сперму прямо на самых ранних стадиях развития, поскольку бактерии быстро распространяются среди популяций членистоногих», — добавил Борденштейн.
Поскольку процесс развития сперматозоидов у всех животных одинаков, исследователи заявили, что знание этого процесса может дать представление о проблемах бесплодия у людей, а также ценную информацию о новых методах контроля популяций вредных насекомых.
«Теперь, когда мы реконструировали этот процесс, мы можем точно настроить методы контроля над популяцией с помощью Wolbachia, помимо тех, что уже применяются. Планируем воспользоваться этими знаниями для расширения существующих в настоящее время методов борьбы с переносчиками болезней и насекомыми-вредителями и, возможно, в долгосрочной перспективе имитировать эту технику без вольбахии или вирусных белков», заключил Каур.
Источник: www.psu.edu. Автор: Гейл МакКормик.
Заглавное фото: Медведева Анна, AgroXXI.ru.