4.2 The bean bug-Burkholderia symbiosis is highly specific
The genus Burkholderia consists of over 100 species and is an ecologically diverse group (Eberl and Vandamme, 2016). Na podstawie analiz filogenomicznych rodzaj ten grupuje się w co najmniej trzy odrębne klady. Pierwszy z nich obejmuje patogeny ludzi, zwierząt i roślin, nazwany kladem „B. cepacia complex i B. pseudomallei” (BCC&P) (Mahenthiralingam i in., 2005). Drugi klad składa się z wielu ryzobakterii promujących wzrost roślin i symbiontów guzkowych roślin strączkowych, określanych jako klad „plant-associated beneficial and environmental” (PBE) (Suárez-Moreno i in., 2012). Trzeci klad składa się głównie z gatunków środowiskowych, symbiontów guzków liściowych roślin Rubiaceae oraz symbiontów jelitowych cuchnących pluskwiaków i nazywany jest kladem „stinkbug-associated beneficial and environmental” (SBE) (Peeters i in., 2016; Takeshita i Kikuchi, 2017). Klady BCC&P, PBE i SBE zostały ostatnio wyznaczone jako różne rodzaje nazwane odpowiednio Burkholderia sensu stricto, Paraburkholderia i Caballeronia (Beukes i in., 2017). Siostrzaną grupą dla tego trio Burkholderia jest rodzaj Pandoraea, składający się głównie z pospolitych bakterii glebowych.
Analizy symbiontów w naturalnych populacjach R. pedestris systematycznie wykazywały kolonizację przez gatunki Burkholderia (Jung i Lee, 2019; Kikuchi i in., 2005, 2011a). Te Burkholderia są zróżnicowane genetycznie, ale prawie wszystkie należą do kladu SBE. Niemniej jednak, infekcja gatunkami z bardziej odległego kladu BCC&P została również odnotowana w badaniach zimującego R. pedestris (Jung i Lee, 2019).
Jak wspomniano wcześniej, obecność krypt bakteryjnych przenoszących symbionty śródjelitowe jest bardzo powszechna u heteropteroptera infraorder Pentatomomorpha (Kikuchi i in., 2011a). U wielu gatunków nadrodzin Coreoidea i Lygaeoidea z Pentatomomorpha, krypty te są również skolonizowane przez SBE Burkholderia (Boucias i in., 2012; Itoh i in., 2014; Garcia i in., 2014; Kikuchi i in., 2011a, 2005; Kuechler i in., 2016; Ohbayashi i in., 2019b; Olivier-Espejel i in., 2011). Niemniej jednak, inne gatunki Burkholderia, należące do kladów BCC&P i PBE, a nawet gatunki Cupriavidus i Pseudomonas były sporadycznie identyfikowane u niektórych gatunków stinkbugów (Boucias i in., 2012; Garcia i in., 2014; Itoh i in., 2014). Należy jednak zauważyć, że z wyjątkiem kilku Burkholderia SBE, wyizolowanych z R. pedestris (Kikuchi i in., 2007), Coreus marginatus (Ohbayashi i in., 2019b) i Blissus insularis (Xu i in., 2016), żaden z pozostałych szczepów (Burkholderia lub innych) nie był hodowany i badany pod kątem ich zdolności do ponownego zakażenia i kolonizacji organu symbiotycznego owada. Wreszcie, krypty jelita środkowego u gatunków z rodziny Largidae z nadrodziny Pyrrhocoroidea również przenoszą Burkholderia, ale szczepy te różnią się od Burkholderia SBE i należą ściśle do kladu PBE (Gordon i in., 2016; Sudakaran i in., 2015; Takeshita i in., 2015).
Łącznie, te kontrole naturalnych gatunków cuchnących pluskwiaków sugerują niemal wyłączną kolonizację krypt jelita środkowego przez SBE Burkholderia w nadrodzinach Coreoidea i Lygaeoidea oraz przez PBE Burkholderia w rodzinie Largidae nadrodziny Pyrrocoroidea. Podobnie jak to jest ugruntowane w przypadku symbiontów R. pedestris (Kikuchi i in., 2007), środowiskowe nabycie Burkholderia było postulowane lub wykazane u wszystkich badanych gatunków cuchnących pluskwiaków, nawet jeśli u niektórych sugerowano sporadyczną transmisję pionową (Itoh i in., 2014; Xu i in., 2016). Jest to w przeciwieństwie do wspomnianych gatunków z innej nadrodziny cuchnących pluskwiaków, Pentatomoidea, które posiadają wertykalnie przenoszone symbionty gammaproteobakteryjne.
Tak więc, infekcje krypt jelita środkowego u R. pedestris i pokrewnych mu gatunków cuchnących pluskwiaków z nadrodzin Coreoidea, Lygaeoidea i Pyrrocoroidea wydają się być kontrolowane przez mechanizmy wyboru partnera, które są specyficzne w szerokiej skali taksonomicznej grup Burkholderia. Niemniej jednak, ze względu na obserwowaną różnorodność genetyczną symbiontów u poszczególnych gatunków owadów, mechanizmy te mogą mieć bardziej rozluźnioną specyficzność na poziomie gatunku lub szczepu.
Dwa rodzaje eksperymentów laboratoryjnych u R. pedestris potwierdziły ten wniosek. Po pierwsze, w laboratoryjnym R. pedestris hodowanym na glebie, sporadycznie identyfikowano infekcje PBE Burkholderia, jak również Pandoraea, ale przytłaczająca większość bakterii krypt należała do kladu SBE (Itoh i in., 2018a). W drugim typie eksperymentu, testy infekcji aposymbiotycznego R. pedestris przeprowadzono z szerokim zakresem bakterii w czystej kulturze, w tym 34 gatunkami Burkholderia (13 gatunków SBE, 12 gatunków PBE i 7 gatunków BCC&P) oraz dodatkowymi 18 taksonomicznie zróżnicowanymi gatunkami bakterii spoza Burkholderia (Itoh i in., 2019). Wszystkie testowane gatunki SBE efektywnie kolonizowały krypty midgutowe, podobnie jak badane gatunki Pandoraea i większość PBE, nawet jeśli Pandoraea i PBE nie kolonizowały w pełni krypt midgutowych. Co więcej, gatunki PBE i Pandoraea poprawiały przeżywalność i rozwój pluskwiaka bobowego podobnie jak gatunki SBE, pomimo niepełnej kolonizacji, co wskazuje, że bakterie te nie są szkodliwe, lecz korzystne dla owadziego gospodarza. W przeciwieństwie do nich, testowane gatunki Burkholderia BCC&P i wszystkie inne gatunki bakterii, w tym inne Burkholderiaceae (Ralstonia, Chitinimonas, Cupriavidus) i nie-Burkholderiaceae, nie były w stanie osiedlić się w kryptach. Tak więc ogólnie, te laboratoryjne eksperymenty infekcyjne z użyciem gleby lub hodowanych bakterii odtworzyły obserwowaną naturalną specyficzność R. pedestris dla SBE Burkholderia, chociaż specyficzność ta wydaje się być szersza w laboratorium niż w naturze.
Jakie są zatem podstawowe mechanizmy wyboru partnera zaangażowane w selekcję symbiontów? Wydaje się to być fundamentalną kwestią w świetle ogromnej różnorodności bakterii w glebach (Bahram i in., 2018; Delgado-Baquerizo i in., 2018), co sugeruje, że mechanizmy te muszą być szczególnie silne i podobne do tych w symbiozach roślin strączkowych i kałamarnicy.