Una storia di batteri simbionti fra formiche e afidi

Formiche e afidi: una storia di batteri simbionti

Oggi parleremo di una curiosa storia di batteri simbionti degli afidi. Gli afidi sono minuscoli insetti che si nutrono della linfa di numerose piante. Grazie al loro apparato buccale pungente sono in grado di perforare la parete esterna degli organi della pianta e di succhiare la linfa dai tessuti vegetali (Fig. 1). Per questo motivo, sono considerati degli insetti pericolosi per diversi vegetali di importanza commerciale per l’uomo. Infatti, gli afidi sono vettori di un gran numero di virus che possono mettere a repentaglio la salute della pianta. Per di più, hanno un alleato determinante nella loro sopravvivenza: la formica.

Le formiche hanno stretto una simbiosi mutualistica con gli afidi da cui entrambi gli insetti ne ricavano un beneficio. Gli afidi producono una sostanza zuccherina sotto forma di essudato che viene utilizzato dalle formiche come fonte di nutrimento. Le formiche, d’altra parte, difendono gli afidi dai predatori, proteggendoli dai pericoli e assicurandone la sopravvivenza. È proprio come se le formiche coltivassero le colonie di afidi, ricavandone un prezioso alimento. Di recente, gli scienziati hanno scoperto come alcuni batteri possano avere un ruolo in questa straordinaria interazione formica-afide. Insomma, ancora una volta, è tutta una storia di batteri simbionti. Scopriamo assieme come.

L'afide nero e la storia di batteri simbionti — *Fig. 1 – Afide nero che si ciba su una foglia causandone ingenti danni.*

La simbiosi formica-afide

La simbiosi di cui parliamo riguarda l’afide nero della fava, Aphis fabae, e la formica nera Lasius niger (Fig. 1). A. fabae infesta foglie, germogli e organi riproduttivi della pianta causando ingenti danni alla struttura esterna. Inoltre, è in grado di trasmettere una vasta gamma di virus dannosi dalla pianta. Fra questi, i più conosciuti sono il mosaico comune del fagiolo, il mosaico e ingiallimento della bietola e l’accartocciamento fogliare della patata.

Il nostro afide, si nutre indisturbato della linfa della pianta attaccata, ben protetto dalla formica della specie L. niger. L. niger generalmente nidifica al suolo, in prossimità delle piante su cui può acquisire il nutrimento dagli afidi. Le operaie hanno un addome semi-estensibile per contenere i liquidi zuccherini ottenuti da A. fabae, a riprova di quanto questa simbiosi sia stretta fra afide e formica. Le formiche possono anche stimolare l’afide a rilasciare più sostanze zuccherine, tamburellandone l’addome con le antenne. L. niger però, è in grado di discriminare l’afide da cui prendere il nutrimento. Come possa farlo non è ancora del tutto chiaro, ma sembra essere una storia di batteri simbionti che possono avere come ospite il nostro afide.

formiche e afidi: una storia di batteri simbionti — *Fig. 2 –* L. niger che si ciba della soluzione zuccherina prodotta da A. fabae. Si nota come la colonia di afidi sia completamente attorno ad una pianta per ottenerne la linfa. [Photo by Erik Jorgensen – all rights reserved]

I batteri simbionti dell’afide A. fabae

I batteri che sembrano coinvolti nella comunicazione fra formica e afide sono Hamiltonella defesa e Regiella insecticola. Entrambi i batteri sono noti per giocare un ruolo molto importante nella protezione dell’afide verso vespe parassitoidi. L. niger predilige cibarsi su individui sprovvisti di questi batteri simbionti e che sono stati parassitati dalle vespe. In questo modo, la formica rimuove dalla colonia gli individui parassitati proteggendo l’intera colonia di afidi. In poche parole, L. niger è come se favorisse la presenza di afidi positivi a H. defensa e R. insecticola perchè questi batteri danno un vantaggio nella sopravvivenza dell’afide, e, di conseguenza, della sua fonte di nutrimento. Come fa però la formica a distinguere un afide sprovvisto di questi batteri simbionti da un individuo che ospita i nostri batteri? La risposta sembra essere nei segnali di comunicazione chimica emessi dall’afide e percepiti dalla formica.

Il profilo chimico negli insetti

Tutti gli insetti presentano sulla cuticola esterna dei composti chimici che hanno molteplici funzioni. Proteggono l’insetto dal disseccamento e fungono da vera e propria barriera contro parassiti e patogeni. Inoltre, svolgono una funzione importante nel riconoscimento intra e interspecifico, e sono coinvolti nei processi di accoppiamento. In particolare, compositi chimici molto volatili possono fungere da scia chimica per attrarre il partner prima della fecondazione. Nelle specie di insetti sociali, come le nostre formiche, i composti chimici servono anche a comunicare le attività da svolgere nel nido e a riconoscere e definire le varie caste nella colonia (Fig. 2). Insomma, il profilo chimico è come se fosse il linguaggio parlato dai nostri insetti.

lasius niger con regina — *Fig. 3 – Operaie di* L. niger *attorno alla regina. La comunicazione chimica è fondamentale per la colonia.*

Il profilo chimico di A. fabae: una storia di batteri simbionti

Questo linguaggio, in A. fabae può essere modificato dalla presenza dei batteri simbionti H. defensa e R. insecticola. Da uno studio si evince come la presenza di questi batteri sia fondamentale per determinare delle differenze chimiche sulla cuticola dell’afide. Molto probabilmente la formica L. niger si affida a questi differenti segnali chimici per scegliere gli afidi su cui ottenere il nutrimento. Come facciano i batteri simbionti a modificare il profilo chimico del nostro afide rimane, ad oggi, un mistero. Sembrerebbe però che i batteri, cibandosi di lipidi e amminoacidi dell’afide, possano andare ad interferire con la biosintesi dei composti chimici sulla cuticola.

In questo modo, l’afide emetterà dei segnali odorosi differenti in base alla presenza dei batteri simbionti o meno. Le formiche, potrebbero aver imparato a riconoscere le differenze nel profilo chimico degli afidi, tutelando la sopravvivenza degli individui che vivono in simbiosi con i batteri H. defensa e R. insecticola. Ancora una volta, i nostri straordinari batteri diventano protagonisti di una simbiosi che coinvolge formiche e afidi, manipolando il profilo chimico dell’afide A. fabae.

Conclusioni

Abbiamo visto come i batteri possano inserirsi nella biologia del loro ospite determinandone dei cambiamenti. L’afide beneficia della presenza di questi simbionti proteggendosi dai patogeni e garantendosi la protezione totale delle formiche. Le formiche, d’altra parte, si garantiscono una fonte di nutrimento sotto forma di soluzione zuccherina prodotta dagli afidi stessi. Infine, i nostri batteri avranno modo di essere tramandati alla generazione successiva di afidi, trovando nell’ospite nutrimento e la protezione indiretta delle formiche. Tutto questo, grazie alla capacità evolutiva di determinare un cambiamento nel profilo chimico dell’afide. Insomma, vi abbiamo raccontato una storia di batteri simbionti che ci mostra ancora una volta le infinite risorse evolutive di questi microorganismi nella lotta alla sopravvivenza.

Fonti

Hertaeg, C., Risse, M., Vorburger, C. et al. Aphids harbouring different endosymbionts exhibit differences in cuticular hydrocarbon profiles that can be recognized by ant mutualists. Sci Rep 11, 19559 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-021-98098-2
Lang, C. & Menzel, F. Lasius niger ants discriminate aphids based on their cuticular hydrocarbons. Anim. Behav. 82, 1245–125 (2011).
Howard, R. W. & Blomquist, G. J. Ecological, behavioral, and biochemical aspects of insect hydrocarbons. Annu. Rev. Entomol. 50, 371–393 (2005).