4.2 La simbiosi insetto-fagiolo-Burkholderia è altamente specifica
Il genere Burkholderia consiste di oltre 100 specie ed è un gruppo ecologicamente vario (Eberl e Vandamme, 2016). Sulla base di analisi filogenomiche, il genere è raggruppato in almeno tre cladi distinte. Il primo comprende patogeni umani, animali e piante, chiamato il clade “B. cepacia complex and B. pseudomallei” (BCC&P) (Mahenthiralingam et al., 2005). Il secondo clade è costituito da molti rizobatteri promotori della crescita delle piante e dai simbionti dei noduli delle leguminose, designati come il clade “plant-associated beneficial and environmental” (PBE) (Suárez-Moreno et al., 2012). Il terzo clade consiste principalmente di specie ambientali, simbionti dei noduli fogliari delle piante Rubiaceae, e simbionti intestinali delle cimici, ed è chiamato il clade “stinkbug-associated beneficial and environmental” (SBE) (Peeters et al., 2016; Takeshita e Kikuchi, 2017). I cladi BCC&P, PBE, e SBE sono stati recentemente designati come generi diversi chiamati rispettivamente Burkholderia sensu stricto, Paraburkholderia, e Caballeronia (Beukes et al., 2017). Il gruppo gemello di questo trio Burkholderia è il genere Pandoraea, composto per lo più da comuni batteri del suolo.
Le analisi dei simbionti nelle popolazioni naturali di R. pedestris hanno dimostrato sistematicamente la colonizzazione da parte di specie Burkholderia (Jung e Lee, 2019; Kikuchi et al., 2005, 2011a). Questi Burkholderia sono geneticamente diversi, ma quasi tutti appartengono al clade SBE. Tuttavia, l’infezione con specie del più distante clade BCC&P è stata riportata anche in uno studio su R. pedestris svernante (Jung e Lee, 2019).
Come accennato in precedenza, la presenza di cripte midgut portatrici di simbionti batterici è molto comune nell’infraordine Pentatomomorpha degli eterotteri (Kikuchi et al., 2011a). In molte specie delle superfamiglie Coreoidea e Lygaeoidea dei Pentatomomorpha, queste cripte sono anche colonizzate da Burkholderia SBE (Boucias et al., 2012; Itoh et al., 2014; Garcia et al., 2014; Kikuchi et al., 2011a, 2005; Kuechler et al., 2016; Ohbayashi et al., 2019b; Olivier-Espejel et al., 2011). Tuttavia, altre Burkholderia, appartenenti ai cladi BCC&P e PBE, e persino specie di Cupriavidus e Pseudomonas sono state occasionalmente identificate in alcune specie di stinkbug (Boucias et al., 2012; Garcia et al., 2014; Itoh et al., 2014). Tuttavia, va notato che ad eccezione di diversi Burkholderia SBE, isolati da R. pedestris (Kikuchi et al., 2007), Coreus marginatus (Ohbayashi et al., 2019b) e Blissus insularis (Xu et al., 2016), nessuno degli altri ceppi (Burkholderia o altro) è stato coltivato e testato per la loro capacità di reinfettare e colonizzare l’organo simbiotico dell’insetto. Infine, le cripte del midgut in specie della famiglia Largidae della superfamiglia Pyrrhocoroidea portano anche Burkholderia, ma questi ceppi sono distinti dai Burkholderia SBE e appartengono strettamente al clade PBE (Gordon et al., 2016; Sudakaran et al., 2015; Takeshita et al, 2015).
Insieme, queste ispezioni di specie di cimici naturali suggeriscono una colonizzazione quasi esclusiva delle cripte del midgut con Burkholderia SBE nelle superfamiglie Coreoidea e Lygaeoidea e con Burkholderia PBE nella famiglia Largidae della superfamiglia Pyrrocoroidea. Similmente a quanto stabilito per i simbionti di R. pedestris (Kikuchi et al., 2007), l’acquisizione ambientale di Burkholderia è stata postulata o dimostrata in tutte le specie di cimici esaminate, anche se in alcune è stata suggerita una trasmissione verticale occasionale (Itoh et al., 2014; Xu et al., 2016). Questo è in contrasto con le suddette specie dell’altra superfamiglia degli stinkbug, i Pentatomoidea, che possiedono simbionti gammaproteobatterici a trasmissione verticale.
Quindi, le infezioni delle cripte del midgut in R. pedestris e nelle specie stinkbug alleate nelle superfamiglie Coreoidea, Lygaeoidea e Pyrrocoroidea sembrano essere controllate da meccanismi di scelta del partner che sono specifici alla vasta scala tassonomica dei gruppi Burkholderia. Tuttavia, a causa della diversità genetica osservata dei simbionti in ogni specie di insetti, questi meccanismi possono avere una specificità più rilassata a livello di specie o di ceppo.
Due tipi di esperimenti di laboratorio in R. pedestris hanno sostenuto questa conclusione. In primo luogo, in laboratorio R. pedestris allevato sul suolo, sono state occasionalmente identificate infezioni con PBE Burkholderia così come Pandoraea, ma la stragrande maggioranza dei batteri cripto apparteneva al clade SBE (Itoh et al., 2018a). In un secondo tipo di esperimento, sono stati eseguiti test di infezione di R. pedestris aposymbiotic con un’ampia gamma di batteri in coltura pura, comprese 34 specie di Burkholderia (13 specie di SBE, 12 specie di PBE, e 7 specie di BCC&P) e ulteriori 18 specie batteriche tassonomicamente diverse non-Burkholderia (Itoh et al., 2019). Tutte le specie SBE testate hanno colonizzato efficientemente le cripte del midgut, così come le specie Pandoraea esaminate e la maggior parte dei PBE, anche se la Pandoraea e i PBE non hanno colonizzato completamente le cripte del midgut. Inoltre, le specie PBE e Pandoraea hanno migliorato la sopravvivenza e lo sviluppo della cimice del fagiolo simile alle specie SBE nonostante la colonizzazione incompleta, indicando che questi batteri non sono dannosi ma benefici per l’insetto ospite. Al contrario, le specie di Burkholderia BCC&P testate e tutte le altre specie batteriche, che includevano altre Burkholderiaceae (Ralstonia, Chitinimonas, Cupriavidus) e non-Burkholderiaceae, non erano in grado di stabilirsi nelle cripte. Quindi, nel complesso, questi esperimenti di infezione di laboratorio utilizzando il suolo o batteri coltivati hanno ricapitolato la specificità naturale osservata di R. pedestris per SBE Burkholderia, anche se la specificità sembra essere più ampia in laboratorio che in natura.
Quali sono allora i meccanismi di scelta del partner sottostanti coinvolti nella selezione del simbionte? Questa sembra essere una questione fondamentale alla luce dell’enorme diversità di batteri nei suoli (Bahram et al., 2018; Delgado-Baquerizo et al., 2018), il che suggerisce che questi meccanismi devono essere particolarmente potenti, e simili a quelli delle simbiosi di legumi e calamari.