El calentamiento global amenaza la estabilidad de los mutualismos obligados insecto – bacteria

Los insectos son el grupo de animales más diverso y abundante del planeta. Su éxito evolutivo se debe, en parte, a tiempos generacionales breves  y un elevado potencial reproductivo. Estas características, les confieren un elevado potencial evolutivo capaz de efectuar rápidas respuestas biológicas a cambios ambientales súbitos. Otro rasgo importante en su éxito evolutivo, revelado en años recientes, es la tendencia a formar alianzas simbióticas con bacterias. Se trata de relaciones mutualistas, en las que ambos integrantes se benefician. Las simbiosis insecto – bacteria son muy diversas, pero se pueden clasificar a grandes rasgos en obligadas y facultativas. El mutualismo obligado implica una relación íntima, así como la residencia permanente de la bacteria al interior de células del hospedero, los bacteriocitos. Por el contrario, el mutualismo facultativo aporta beneficios ecológicos contextuales, prescindibles para la supervivencia general del insecto. Las alianzas mutualistas insecto – bacteria incluyen organismos con historias evolutivas y tolerancias ambientales muy contrastantes entre sí, cuya operatividad ocurre en un escenario ambiental compatible para ambas partes.

Breve vistazo al estilo de vida endosimbiótico

Los mutualismos insecto – bacteria obligados son estables y antiguos. Puesto que las bacterias mutualistas obligadas suelen ubicarse al interior de los bacteriocitos, se les conoce como endosimbiontes. Los endosimbiontes llevan un estilo de vida muy particular. Se trata de bacterias aisladas del ambiente, transmitidas verticalmente. En consecuencia su diversidad genética es reducida. Por el contrario, al encontrarse en un entorno tan “cómodo”, pues viven en condiciones estables al interior del bacteriocito, diferentes genes relacionados para sortear con la variación ambiental se “atrofian”. Los genomas de los endosimbiontes sufren un proceso de erosión genómica, caracterizado por la pérdida de los genes “atrofiados”. Con el paso del tiempo, sus genomas se reducen muchísimo. ¡Apenas contienen la información necesaria para sus procesos esenciales y por supuesto para cumplir con las necesidades de su hospedero!

La erosión genómica que sufren los endosimbiontes reduce drásticamente  su potencial evolutivo y adaptativo, con el tiempo, está trayectoria parece dirigirse a una inevitable  extinción (Pérez-Brocal, et al. 2006). Por otro lado, el reducido potencial adaptativo de los endosimbiontes los hace vulnerables a las fluctuaciones ambientales, como al estrés térmico (Wernegreen, J. 2017). No obstante, las temperaturas elevadas han sido una presión de selección antigua para las bacterias. El aumento en la temperatura, aumenta la frecuencia de mutaciones y provoca contracción genómica (Sabath, et al. 2013). Las bacterias termófilas, acostumbradas a las altas temperaturas, suelen tener genomas compactos, por lo que la compactación genómica se considera una adaptación bacteriana hacia las altas temperaturas (Nicks y Rahn-Lee, 2017). En contraste con la erosión genómica, la compactación genómica no reduce el potencial adaptativo de las bacterias, por el contrario optimiza la supervivencia bacteriana en altas temperaturas. Los endosimbiontes ocurren en gran cantidad de insectos, como en los pulgones (hemípteros), insectos hematófagos y algunos gorgojos (Sitophilus spp.). Por lo general los endosimbiontes suelen suplir algún nutriente escaso en la dieta del insecto, por lo que son muy importantes para la salud y reproducción de estos (Bennett y Moran 2015).

La fuerza del cambio, la importancia de los simbiontes facultativos

Pese a la antigüedad de los mutualismos obligados insecto – bacteria, esto no da garantía de perpetuidad, por el contrario el recambio de simbiontes bacterianos es común. El objetivo de este recambio es la sustitución de los participantes bacterianos antiguos y defectuosos, por bacterias de origen ambiental con mayor funcionalidad (Sudakaran, et al. 2017). La nueva alianza puede ser tan provechosa para el insecto que el simbionte bacteriano facultativo puede ser convertido (¿o secuestrado?) en uno obligado (Wernegreen, J. 2017), ¡dándole un giro de 180 grados a su trayectoria evolutiva! El cambio climático en curso, aunado a la vulnerabilidad evolutiva de los endosimbiontes, sugiere que el recambio de simbiontes bacterianos podría volverse más frecuente. Al menos en los insectos que requieran forzosamente la participación microbiana en su metabolismo. De forma interesante, adquirir simbiontes facultativos podría conferir resistencia térmica a sus hospederos, como ocurre con Wolbachia en Drosophilamelanogaster (Gruntenko, et al. 2017), o Serratiasymbiotica en los pulgones (Burke, et al. 2010). Sin embargo, el mundo de la simbiosis bacteria-insecto suele ser contextual, es decir, las alianzas benéficas ante el calentamiento climático podrían tener costos inesperados en el futuro. Por ejemplo, la adquisición de bacterias tolerantes al estrés térmico, podría aumentar la sensibilidad del insecto a pesticidas (Skaljac, et al. 2018). Por ello, resulta imprescindible diversificar la investigación sobre las relaciones simbióticas entre insectos y bacterias, pues los insectos son muy importantes para el ecosistema y para nuestra vida como la conocemos.

Referencias

1. Bennett, G. M. y Moran, N. A. (2015). Heritable symbiosis: The advantages and perils of an evolutionary rabbit hole. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 112(33), 10169–10176. https://doi.org/10.1073/pnas.1421388112
   
2. Sabath, N., Ferrada, E., Barve, A. y Wagner, A. (2013). Growth temperature and genome size in bacteria are negatively correlated, suggesting genomic streamlining during thermal adaptation. Genome biology and evolution, 5(5), 966–977. https://doi.org/10.1093/gbe/evt050
   
3. Nicks, T. y Rahn-Lee, L. (2017). Inside Out: Archaeal Ectosymbionts Suggest a Second Model of Reduced-Genome Evolution. Frontiers in microbiology, 8, 384. https://doi.org/10.3389/fmicb.2017.00384
   
4. Wernegreen, J. J. (2017). In it for the long haul: evolutionary consequences of persistent endosymbiosis. Current opinion in genetics & development, 47, 83–90. https://doi.org/10.1016/j.gde.2017.08.006
   
5. Pérez-Brocal, V., Gil, R., Ramos, S., Lamelas, A., Postigo, M., Michelena, J. M., Silva, F. J., Moya, A. y Latorre, A. (2006). A small microbial genome: the end of a long symbiotic relationship? Science (New York, N.Y.), 314(5797), 312–313. https://doi.org/10.1126/science.1130441
   
6. Sudakaran, S., Kost, C. y Kaltenpoth, M. (2017). Symbiont Acquisition and Replacement as a Source of Ecological Innovation. Trends in microbiology, 25(5), 375–390. https://doi.org/10.1016/j.tim.2017.02.014
   
7. Gruntenko, N. Е., Ilinsky, Y. Y., Adonyeva, N. V., Burdina, E. V., Bykov, R. A., Menshanov, P. N. y Rauschenbach, I. Y. (2017). Various Wolbachia genotypes differently influence host Drosophila dopamine metabolism and survival under heat stress conditions. BMC evolutionary biology, 17(2), 252. https://doi.org/10.1186/s12862-017-1104-y
8. Burke, G., Fiehn, O. y Moran, N. (2010). Effects of facultative symbionts and heat stress on the metabolome of pea aphids. The ISME journal, 4(2), 242–252. https://doi.org/10.1038/ismej.2009.114
   
9. Skaljac, M., Kirfel, P., Grotmann, J. y Vilcinskas, A. (2018). Fitness costs of infection with Serratia symbiotica are associated with greater susceptibility to insecticides in the pea aphid Acyrthosiphon pisum. Pest management science, 74(8), 1829–1836. https://doi.org/10.1002/ps.4881