4.2 De bonenkever-Burkholderia symbiose is zeer specifiek
Het genus Burkholderia bestaat uit meer dan 100 soorten en is een ecologisch diverse groep (Eberl en Vandamme, 2016). Op basis van fylogenomische analyses wordt het genus gegroepeerd in ten minste drie verschillende clades. De eerste omvat mens-, dier- en plant-pathogenen, genaamd de “B. cepacia complex en B. pseudomallei” (BCC&P) clade (Mahenthiralingam et al., 2005). De tweede clade bestaat uit vele plantengroei-bevorderende rhizobacteriën en noduli symbionten van peulvruchten, aangeduid als de “plant-associated beneficial and environmental” (PBE) clade (Suárez-Moreno et al., 2012). De derde clade bestaat voornamelijk uit milieusoorten, bladnodulesymbionten van Rubiaceae-planten, en darmsymbionten van stinkwantsen, en wordt de “stinkbug-associated beneficial and environmental” (SBE)-clade genoemd (Peeters et al., 2016; Takeshita and Kikuchi, 2017). De BCC&P, PBE, en SBE clades werden onlangs aangewezen als verschillende genera, respectievelijk Burkholderia sensu stricto, Paraburkholderia, en Caballeronia genoemd (Beukes et al., 2017). De zustergroep van dit Burkholderia-trio is het geslacht Pandoraea, dat meestal bestaat uit gewone bodembacteriën.
Analyses van de symbionten in natuurlijke populaties van R. pedestris hebben systematisch de kolonisatie door Burkholderia-soorten aangetoond (Jung en Lee, 2019; Kikuchi et al., 2005, 2011a). Deze Burkholderia zijn genetisch divers, maar behoren bijna allemaal tot de SBE-clade. Niettemin werd infectie met soorten van de verder afgelegen BCC&P clade ook gemeld in een studie van overwinterende R. pedestris (Jung en Lee, 2019).
Zoals eerder vermeld, is de aanwezigheid van bacteriële symbiont-dragende middendarmkrypten zeer gebruikelijk in de heteroptera infraorde Pentatomomorpha (Kikuchi et al., 2011a). Bij veel soorten van de superfamilies Coreoidea en Lygaeoidea van de Pentatomomorpha zijn deze crypten ook gekoloniseerd met SBE Burkholderia (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). Niettemin werden andere Burkholderia, behorend tot de BCC&P- en PBE-clades, en zelfs Cupriavidus- en Pseudomonas-soorten af en toe geïdentificeerd in sommige stinkwantsensoorten (Boucias et al., 2012; Garcia et al., 2014; Itoh et al., 2014). Er moet echter worden opgemerkt dat met uitzondering van verschillende SBE Burkholderia, geïsoleerd uit R. pedestris (Kikuchi et al., 2007), Coreus marginatus (Ohbayashi et al., 2019b) en Blissus insularis (Xu et al., 2016), geen van de andere stammen (Burkholderia of andere) zijn gekweekt en getest op hun vermogen om het symbiotische orgaan van het insect opnieuw te infecteren en te koloniseren. Ten slotte dragen de midgutcrypten in soorten van de familie Largidae van de superfamilie Pyrrhocoroidea ook Burkholderia, maar deze stammen zijn verschillend van de SBE Burkholderia en behoren strikt tot de PBE-clade (Gordon et al., 2016; Sudakaran et al., 2015; Takeshita et al, 2015).
Tezamen suggereren deze inspecties van natuurlijke stinkwantsensoorten een bijna exclusieve kolonisatie van de midgutcrypten met SBE Burkholderia in de Coreoidea en Lygaeoidea superfamilies en met PBE Burkholderia in de familie Largidae van de Pyrrocoroidea superfamilie. Vergelijkbaar met wat vaststaat voor R. pedestris symbionten (Kikuchi et al., 2007), werd omgevingsverwerving van Burkholderia gepostuleerd of aangetoond bij alle onderzochte stinkwantsensoorten, ook al werd gesuggereerd dat bij sommige af en toe verticale transmissie optrad (Itoh et al., 2014; Xu et al., 2016). Dit in tegenstelling tot de eerder genoemde soorten van de andere stinkwantsensuperfamilie, de Pentatomoidea, die verticaal overgedragen gammaproteobacteriële symbionten bezitten.
Dus lijken de infecties van de middendarmkrypten bij R. pedestris en zijn verwante stinkwantsensoorten in de superfamilies Coreoidea, Lygaeoidea en Pyrrocoroidea te worden gecontroleerd door partnerkeuzemechanismen die specifiek zijn op de brede taxonomische schaal van Burkholderia-groepen. Niettemin, vanwege de waargenomen genetische diversiteit van de symbionten in elke insectensoort, kunnen deze mechanismen een meer ontspannen specificiteit hebben op soort- of stamniveau.
Twee soorten laboratoriumexperimenten met R. pedestris hebben deze conclusie ondersteund. Ten eerste, in laboratorium R. pedestris gekweekt op aarde, werden af en toe infecties met PBE Burkholderia evenals Pandoraea geïdentificeerd, maar de overgrote meerderheid van cryptobacteriën behoorde tot de SBE-clade (Itoh et al., 2018a). In een tweede type experiment werden infectietests van aposymbiotische R. pedestris uitgevoerd met een breed scala aan bacteriën in zuivere cultuur, waaronder 34 Burkholderia-soorten (13 soorten van SBE, 12 soorten van PBE, en 7 soorten van BCC&P) en een extra 18 taxonomisch diverse niet-Burkholderia bacteriesoorten (Itoh et al., 2019). Alle geteste SBE-soorten koloniseerden efficiënt de midgut crypten, evenals de onderzochte Pandoraea-soorten en de meeste PBE, ook al koloniseerden de Pandoraea en PBE de midgut crypten niet volledig. Bovendien bevorderden de PBE- en Pandoraea-soorten de overleving en ontwikkeling van de bonenkever op dezelfde manier als SBE-soorten, ondanks de onvolledige kolonisatie, wat erop wijst dat deze bacteriën niet schadelijk maar gunstig zijn voor de gastheer van het insect. Daarentegen waren de geteste BCC&P Burkholderia soorten en alle andere bacteriesoorten, waaronder andere Burkholderiaceae (Ralstonia, Chitinimonas, Cupriavidus) en niet-Burkholderiaceae, niet in staat om zich in de crypten te vestigen. Over het geheel genomen werd de natuurlijke specificiteit van R. pedestris voor SBE Burkholderia dus gerecapituleerd door deze laboratoriuminfectie-experimenten met bodem- of gekweekte bacteriën, hoewel de specificiteit in het laboratorium groter lijkt te zijn dan in de natuur.
Wat zijn dan de onderliggende partnerkeuze-mechanismen die betrokken zijn bij symbiontenselectie? Dit lijkt een fundamentele kwestie in het licht van de enorme diversiteit aan bacteriën in de bodem (Bahram et al., 2018; Delgado-Baquerizo et al., 2018), wat suggereert dat deze mechanismen bijzonder krachtig moeten zijn, en vergelijkbaar met die in de peulvruchten- en inktvis symbiose.