4.2 Die Bohnenwanzen-Burkholderia-Symbiose ist hochspezifisch
Die Gattung Burkholderia besteht aus über 100 Arten und ist eine ökologisch vielfältige Gruppe (Eberl und Vandamme, 2016). Basierend auf phylogenomischen Analysen wird die Gattung in mindestens drei verschiedene Kladen eingeteilt. Die erste umfasst human-, tier- und pflanzenpathogene Erreger und wird als „B. cepacia-Komplex und B. pseudomallei“ (BCC&P) bezeichnet (Mahenthiralingam et al., 2005). Die zweite Gruppe besteht aus vielen pflanzenwachstumsfördernden Rhizobakterien und Knöllchensymbionten von Leguminosen, die als „plant-associated beneficial and environmental“ (PBE)-Klasse bezeichnet wird (Suárez-Moreno et al., 2012). Die dritte Gruppe besteht hauptsächlich aus Umweltarten, Blattknöllchen-Symbionten von Rubiaceae-Pflanzen und Darmsymbionten von Stinkwanzen und wird als „Stinkwanzen-assoziierte Nützlings- und Umweltgruppe“ (SBE) bezeichnet (Peeters et al., 2016; Takeshita und Kikuchi, 2017). Die BCC&P-, PBE- und SBE-Kladen wurden kürzlich als verschiedene Gattungen mit den Namen Burkholderia sensu stricto, Paraburkholderia bzw. Caballeronia bezeichnet (Beukes et al., 2017). Die Schwestergruppe dieses Burkholderia-Trios ist die Gattung Pandoraea, die hauptsächlich aus gewöhnlichen Bodenbakterien besteht.
Analysen der Symbionten in natürlichen Populationen von R. pedestris haben systematisch die Besiedlung durch Burkholderia-Arten nachgewiesen (Jung und Lee, 2019; Kikuchi et al., 2005, 2011a). Diese Burkholderia sind genetisch vielfältig, gehören aber fast alle zur SBE-Klade. Dennoch wurde in einer Studie an überwinternden R. pedestris auch über eine Infektion mit Arten der weiter entfernten BCC&P-Klade berichtet (Jung und Lee, 2019).
Wie bereits erwähnt, ist das Vorhandensein von bakteriellen Symbionten tragenden Mitteldarmkrypten in der Heteropteren-Infraordnung Pentatomomorpha sehr verbreitet (Kikuchi et al., 2011a). Bei vielen Arten der Überfamilien Coreoidea und Lygaeoidea der Pentatomomorpha sind diese Krypten auch mit SBE-Burkholderia besiedelt (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). Dennoch wurden gelegentlich andere Burkholderia, die zu den BCC&P- und PBE-Kladen gehören, und sogar Cupriavidus- und Pseudomonas-Arten in einigen Stinkwanzenarten identifiziert (Boucias et al., 2012; Garcia et al., 2014; Itoh et al., 2014). Es ist jedoch anzumerken, dass mit Ausnahme einiger SBE-Burkholderia, die aus R. pedestris (Kikuchi et al., 2007), Coreus marginatus (Ohbayashi et al., 2019b) und Blissus insularis (Xu et al., 2016) isoliert wurden, keiner der anderen Stämme (Burkholderia oder andere) kultiviert und auf seine Fähigkeit zur Reinfektion und Kolonisierung des symbiotischen Organs des Insekts getestet wurde. Schließlich sind die Mitteldarmkrypten von Arten der Familie Largidae aus der Überfamilie Pyrrhocoroidea ebenfalls mit Burkholderia besiedelt, aber diese Stämme unterscheiden sich von den SBE-Burkholderia und gehören streng zur PBE-Klade (Gordon et al., 2016; Sudakaran et al., 2015; Takeshita et al, 2015).
Zusammengenommen deuten diese Inspektionen natürlicher Stinkwanzenarten auf eine fast ausschließliche Besiedlung der Mitteldarmkrypten mit SBE-Burkholderien in den Überfamilien Coreoidea und Lygaeoidea und mit PBE-Burkholderien in der Familie Largidae der Überfamilie Pyrrocoroidea hin. Ähnlich wie bei den Symbionten von R. pedestris (Kikuchi et al., 2007) wurde bei allen untersuchten Stinkwanzenarten eine umweltbedingte Aneignung von Burkholderia postuliert oder nachgewiesen, auch wenn bei einigen eine gelegentliche vertikale Übertragung vermutet wurde (Itoh et al., 2014; Xu et al., 2016). Dies steht im Gegensatz zu den oben genannten Arten der anderen Stinkwanzen-Überfamilie, den Pentatomoidea, die vertikal übertragene gammaproteobakterielle Symbionten besitzen.
Die Infektionen der Mitteldarmkrypten von R. pedestris und den mit ihm verwandten Stinkwanzenarten der Überfamilien Coreoidea, Lygaeoidea und Pyrrocoroidea scheinen also durch Partnerwahlmechanismen gesteuert zu werden, die auf der breiten taxonomischen Skala der Burkholderia-Gruppen spezifisch sind. Aufgrund der beobachteten genetischen Vielfalt der Symbionten in den einzelnen Insektenarten können diese Mechanismen jedoch auf der Ebene der Arten oder Stämme eine weniger ausgeprägte Spezifität aufweisen.
Zwei Arten von Laborexperimenten mit R. pedestris haben diese Schlussfolgerung unterstützt. Erstens wurden bei der Laboraufzucht von R. pedestris auf dem Boden gelegentlich Infektionen mit PBE-Burkholderia sowie Pandoraea festgestellt, aber die überwältigende Mehrheit der Gruftbakterien gehörte zur SBE-Klade (Itoh et al., 2018a). In einer zweiten Art von Experiment wurden Infektionstests von aposymbiotischem R. pedestris mit einem breiten Spektrum von Bakterien in Reinkultur durchgeführt, darunter 34 Burkholderia-Arten (13 Arten von SBE, 12 Arten von PBE und 7 Arten von BCC&P) und weitere 18 taxonomisch vielfältige Nicht-Burkholderia-Bakterienarten (Itoh et al., 2019). Alle getesteten SBE-Arten kolonisierten effizient die Mitteldarmkrypten, ebenso wie die untersuchten Pandoraea-Arten und die meisten PBE, auch wenn die Pandoraea und PBE die Mitteldarmkrypten nicht vollständig kolonisierten. Darüber hinaus förderten die PBE- und Pandoraea-Arten trotz der unvollständigen Besiedlung das Überleben und die Entwicklung der Bohnenwanze ähnlich wie die SBE-Arten, was darauf hindeutet, dass diese Bakterien nicht schädlich, sondern nützlich für den Insektenwirt sind. Im Gegensatz dazu konnten sich die getesteten BCC&P-Burkholderia-Arten und alle anderen Bakterienarten, darunter andere Burkholderiaceae (Ralstonia, Chitinimonas, Cupriavidus) und Nicht-Burkholderiaceae, nicht in den Krypten etablieren. Insgesamt rekapitulierten diese Laborinfektionsexperimente unter Verwendung von Boden oder kultivierten Bakterien die beobachtete natürliche Spezifität von R. pedestris für SBE-Burkholderia, obwohl die Spezifität im Labor breiter zu sein scheint als in der Natur.
Welche Mechanismen liegen also der Partnerwahl bei der Symbiontenauswahl zugrunde? Diese Frage scheint angesichts der enormen Vielfalt von Bakterien in Böden (Bahram et al., 2018; Delgado-Baquerizo et al., 2018) von grundlegender Bedeutung zu sein, was darauf hindeutet, dass diese Mechanismen besonders leistungsfähig sein müssen und denen der Leguminosen- und Tintenfischsymbiosen ähneln.