Necesidades nutricionales de la mantis religiosa en cautiverio

Introducción

Se sabe que la microbiota intestinal de insectos y otros animales desempeña un papel clave en la configuración de la salud del huésped. Se ha demostrado que los microbios intestinales ayudan en la digestión y la absorción de nutrientes, proporcionan una capa de protección contra patógenos oportunistas y pueden metabolizar ciertas toxinas y/o contaminantes ambientales [ 1 – 3 ]. Los microbiomas intestinales de muchas especies de insectos se han estudiado ampliamente [ 2 , 4 - 9 ], sin embargo, se ha realizado poco trabajo que examine explícitamente el microbioma intestinal de las mantis (Dictyoptera: Mantodea). Este orden es de interés por varias razones. En primer lugar, actualmente se sabe relativamente poco sobre la microbiota intestinal de los insectos depredadores. En los mamíferos, el microbioma intestinal de los carnívoros es distinto del de los omnívoros y herbívoros [ 10 ], y se ha sugerido que la dieta influye en la diversidad de la microbiota intestinal entre las especies de insectos [ 11 ]. En segundo lugar, como depredadores que a menudo consumen presas enteras, las mantis representan una oportunidad para investigar la supervivencia y retención de microbios intestinales asociados a las presas dentro de los intestinos de los depredadores. Si bien la supervivencia y retención de microbios asociados a los alimentos en el intestino se ha discutido en muchos contextos, los microbios asociados al intestino de las presas pueden representar un caso especial dada su adaptación al entorno intestinal de los insectos. Tiede et al. [ 12 ] descubrió recientemente que las mariquitas que se alimentaban con presas más diversas albergaban una mayor diversidad de microbiomas intestinales. Sin embargo, no abordaron hasta qué punto esta mayor diversidad estaba asociada con los microbios derivados de presas. En tercer lugar, como frecuentes depredadores de insectos, las mantis son potencialmente vulnerables a las toxinas producidas por sus presas [ 13 - 18 ]. Como la microbiota intestinal de otros insectos ha estado implicada en la degradación de diversas toxinas y pesticidas [ 3 , 13 , 15 , 19 - 22 ], la microbiota intestinal de las mantis puede contribuir a las defensas del huésped contra estas toxinas asociadas a las presas. Finalmente, las mantis son los parientes más cercanos conocidos de las cucarachas y las termitas (Dictyoptera: Blattodea) [ 23 ]. Los miembros del orden Blattodea son conocidos por sus notables simbiosis intestinales [ 1 , 5 , 6 , 24 – 30 ]. Al estudiar la microbiota intestinal de las mantis religiosas, esperamos comprender mejor los orígenes de estas simbiosis.

Las mantis religiosas son depredadores generales simpátricos que normalmente cazan según el tamaño de la presa. Las mantis religiosas subsisten principalmente con una dieta de pequeños insectos que incluyen moscas de la fruta, grillos y orugas, aunque se sabe que las mantis religiosas adultas consumen pájaros pequeños o pequeños reptiles [ 16 , 31 - 34 ]. Se han utilizado especies comunes, como la mantis china ( Tenodera sinensis) , para estudiar y modelar el comportamiento de los depredadores [ 35 - 40 ]. Trabajos recientes han comenzado a caracterizar las tasas metabólicas de las mantis religiosas [ 41 ]. Sin embargo, hasta donde sabemos, no se ha realizado un estudio en profundidad de los requisitos nutricionales de la mantis religiosa. Los trabajos emergentes sugieren que las mantis no consumen uniformemente las presas de insectos disponibles [ 14 , 16 – 18 , 33 , 42 ]. Las mantis religiosas exhiben patrones dietéticos ontogenéticos, ocupando diferentes nichos tróficos a lo largo de su ciclo de vida [ 33 , 42 ]. En lugar de cazar las presas más abundantes, se dirigen a especies de insectos con perfiles de nutrientes tisulares específicos [ 33 , 42 ]. Como frecuentes depredadores de insectos, las mantis son vulnerables al desafío de los compuestos tóxicos producidos por sus insectos presa para disuadir la depredación [ 13 , 15 ]. Se sabe que varias especies de mantis destripan el cuerpo de ciertas presas de insectos para evitar toxinas específicas, como la cardenolida o la atropina [ 14 , 16 - 18 ]. Estos comportamientos selectivos pueden extenderse más allá de las interacciones depredador-presa, ya que se sabe que las mantis religiosas ingieren una dieta herbívora de polen rica en proteínas cuando no hay presas disponibles [ 43 ]. Las mantis chinas que consumen una dieta omnívora están más en forma que sus contrapartes carnívoras estrictas, con mayor masa corporal, mayor fecundidad y mayor supervivencia de la descendencia [ 43 ].

Los trabajos publicados sobre el microbioma intestinal han demostrado que la mayoría de los insectos albergan comunidades microbianas intestinales simples que son muy variables entre individuos de la misma especie [ 2 ]. Los insectos que se encuentran en el orden Blattodea se encuentran entre las excepciones: las cucarachas albergan un microbioma intestinal complejo compuesto por cientos de especies microbianas únicas que es altamente estable entre individuos [ 24 - 28 , 30 ], mientras que las termitas son bien conocidas por sus simbiosis obligadas con un intestino complejo. comunidad microbiana [ 1 , 5 , 6 , 29 ]. Como el pariente más cercano conocido a las cucarachas y las termitas (Dictyoptera: Blattodea), intentamos examinar la microbiota intestinal de las mantis religiosas (Dictyoptera: Mantodea) para explorar si su microbiota intestinal proporciona información sobre el origen evolutivo de esta simbiosis. Estos insectos están estrechamente relacionados, sin embargo, exhiben estilos de vida drásticamente diferentes. Las mantis religiosas son depredadores solitarios que normalmente sobreviven con una dieta carnívora [ 44 , 45 ]. Por el contrario, las cucarachas son gregarias y consumen una dieta omnívora [ 24 – 28 , 30 ] mientras que las termitas son eusociales y consumen una dieta herbívora [ 1 , 5 , 6 , 29 ]. Aunque los efectos exactos del estilo de vida dietético y la interacción social en el microbioma intestinal aún no están claros, estos factores ambientales se han relacionado con cambios significativos en la estructura y diversidad del microbioma intestinal en múltiples especies animales, incluidos los insectos [ 2 , 10 , 11 , 27 , 46]. – 50 ].

Un estudio de 2014 utilizó 454 pirosecuenciación de genes de ARNr 16S para completar un estudio del microbioma intestinal de 305 insectos en múltiples órdenes [ 11 ]. Esta encuesta incluyó 6 mantis religiosas de edades mixtas (3 T. sinensis y 3 Tenodera angustipennis) , con una profundidad promedio de 552 secuencias por muestra [ 11 ]. Debido a la gran cantidad de muestras totales de insectos y la profundidad limitada de la secuenciación, el análisis de Yun et al. se centró en tendencias amplias en el orden, la dieta, la edad y/o el hábitat ambiental de los insectos. Yun et al. Informó que la microbiota intestinal de la mayoría de los insectos, incluidos los de los órdenes Mantodea y Blattodea, estaba compuesta principalmente por bacterias de los filos Proteobacteria y Firmicutes [ 11 ]. No se informó ninguna otra información sobre el microbioma intestinal de Mantodea y, hasta donde sabemos, no se ha realizado ningún otro estudio que examine la estructura del microbioma intestinal de la mantis religiosa. Nuestro objetivo era llenar este vacío de conocimiento completando un estudio de la microbiota del intestino posterior de 15 mantis religiosas individuales de tres especies utilizando la secuenciación del ARNr 16S. Las mantis religiosas fueron alimentadas con una dieta uniforme de cucarachas, lo que nos permitió 1) caracterizar el microbioma intestinal de la mantis religiosa y 2) determinar si el microbioma intestinal de la mantis religiosa está compuesto únicamente por miembros del microbioma de la presa o si alberga una microbiota intestinal única poblada por linajes bacterianos asociados a mantis.

Métodos

Insectos y recogida de muestras.

Se compraron 30 ninfas de mantis religiosa de cuarto estadio en Bugs in Cyberspace (Stafford, Oregon), donde se criaron con una dieta de Drosophilia . Estuvieron representadas tres especies, con diez ninfas por especie: T . sinensis , Hierodula venosa y Deroplatys lobata . Las ninfas se mantuvieron aisladas en vasos de plástico, con un limpiapipas para posarse y una bola de algodón humedecida con agua. Inicialmente, las ninfas se alimentaban diariamente y se criaban con una dieta mixta de ninfas de Drosophilia melanogaster , Drosophilia hydei y Periplaneta americana . Después de varias mudas, las mantis religiosas supervivientes se alimentaron exclusivamente con P. americana cada 1-2 días hasta su sacrificio. En casi todos los casos, se observó que las mantis consumían insectos de presa en su totalidad, incluidos los intestinos y el contenido intestinal. A todos los insectos se les ofrecieron presas dentro de las 24 horas posteriores al sacrificio.

El objetivo inicial del trabajo era sacrificar mantis adultas sanas una semana después de su muda final. Dadas las altas tasas de pérdida de insectos, particularmente después de la muda adulta final, algunos adultos y ninfas fueron sacrificados temprano cuando su condición general y niveles de actividad sugerían que era poco probable que sobrevivieran hasta la edad objetivo (Tablas ​(Tablas1 1 y S1 ). Las mantis clasificadas como en excelente condición fueron disecadas varios días después de su muda final, mientras que las clasificadas como malas fueron adultos o ninfas que mudaron sin éxito y tenían pocas probabilidades de sobrevivir, y muy mala condición se refiere a mantis que mudaron sin éxito y estaban visiblemente infectadas con gusanos parásitos.

tabla 1

Metadatos para mantis religiosas.

PAG . americana fueron proporcionados por el departamento de entomología de la Universidad de Georgia. Se mantienen en colonias de edades mixtas y sexos mixtos en tanques de acuario con una dieta de comida para perros (Pet Pride Chunk Style Complete Nutrition Dog Food [Pet Pride], compuesta de 21% de proteína, 9% de grasa y 4% de fibra). ad libitum . Se seleccionaron al azar cucarachas adultas sanas del tanque para su disección, y todas estaban en excelentes condiciones en el momento del sacrificio ( Tabla S1 ).

Las mantis religiosas y las cucarachas se colocaron en cámaras de CO ₂ o en hielo en placas de cultivo estériles hasta que estuvieran suficientemente adormecidas (Tablas ​(Tablas 1 1 y S1 ). Luego se diseccionaron los insectos y se extrajo todo el intestino. Se enjuagó todo el intestino con 1XPBS diluido de stock 20X a pH 7,5 (Amresco, Solon, OH), y los restos visibles se eliminaron con fórceps. Todo el intestino se colocó sobre una superficie estéril antes de separar el intestino posterior con un bisturí esterilizado a la llama. Después de la separación, el intestino posterior se colocó en 1XTE Buffer y almacenado a -80°C.

Resultados

Se prepararon y secuenciaron bibliotecas de genes de ARNr 16S a partir de intestinos posteriores de mantis religiosas alimentadas con una dieta de cucarachas criadas en laboratorio y de intestinos posteriores de cucarachas presa criadas en laboratorio. Esta biblioteca de ARNr 16S dio como resultado un total de 1.426.892 secuencias sin procesar, quedando 939.355 después del filtrado de control de calidad ( Tabla S1 ).

Se descubrió que las mantis religiosas albergan una microbiota intestinal diversa. En conjunto, estos insectos exhibieron una menor diversidad alfa y una mayor diversidad beta en la composición del microbioma intestinal que sus presas cucarachas. Aunque la diversidad alfa media observada en las mantis (Índice de Shannon: 4,4) fue menor que en las cucarachas (Índice de Shannon: 6,7), no hubo diferencias significativas en las medias (prueba T, p > 0,05). Sin embargo, la variación en la diversidad alfa fue significativamente mayor (prueba F, p <0,001 (Figs. (Figs1A 1A y S1 ), de modo que una mantis religiosa individual puede poseer una microbiota intestinal que es igual o más diversa que la microbiota intestinal típica de una cucaracha). con índices de Shannon que oscilan entre 4,2 y 5,8 para las cucarachas y entre 1,0 y 6,9 para las mantis.

Figura 1

Diversidades alfa y beta entre mantis religiosas y cucarachas.

La variación interindividual entre las mantis religiosas fue sustancialmente mayor que la observada en las presas de cucarachas mediante medidas de diversidad beta ponderadas y no ponderadas ( Fig. 1A y S1 ). De manera similar, los análisis NMDS muestran una agrupación mucho más estrecha de muestras de cucarachas que de mantis ( Fig. 1B ). Los análisis NMDS también muestran una clara separación entre muestras de mantis y cucarachas y PERMANOVA encontró diferencias significativas en la composición del microbioma intestinal entre mantis y sus presas de cucarachas (R ² = 0,211, valor de p < 0,001). Por el contrario, no encontramos relaciones significativas entre la composición del microbioma intestinal y la edad o condición de la mantis religiosa (valor de p> 0,05).

Firmicutes, Proteobacteria y Bacteriodetes fueron los filos predominantes presentes en la microbiota del intestino posterior de todos los insectos. Todos los intestinos posteriores también contenían una alta proporción de microbios de otros filos menos abundantes, incluidos Actinobacteria, Verrucomicrobia y Tenericutes. La variabilidad entre insectos individuales fue mayor en las mantis religiosas, con filos no predominantes que componen entre el 3% y el 40% de la microbiota intestinal en las mantis religiosas y solo entre el 5% y el 13% en las cucarachas ( S2 Fig ).

Las familias Streptococcaceae, Lactobacillaceae y Enterococcaceae prevalecieron entre las mantis religiosas, representando el 75% de todos los Firmicutes encontrados en muestras del intestino posterior de la mantis religiosa ( Fig. 2 ). Por el contrario, estas familias solo componían el 6,1% de todos los Firmicutes encontrados en muestras del intestino posterior de las presas. Dentro del filo Proteobacteria, las Enterobacteriaceae eran la familia más abundante en la microbiota intestinal de las mantis religiosas. Las enterobacterias representaron el 41,6% de todas las proteobacterias encontradas en muestras del intestino posterior de las mantis religiosas, pero no estuvieron presentes en ninguna de las muestras de cucarachas ( Fig. 2 ).

Figura 2

Abundancia relativa de familias microbianas en mantis religiosas y cucarachas.

Si bien las enterobacterias se encontraron solo en las mantis religiosas, otros linajes bacterianos eran comunes tanto a las mantis religiosas como a sus presas de cucarachas. Por ejemplo, la mayoría de los Bacteriodetes en ambos órdenes de insectos son miembros de las familias de los grupos intestinales Flavobacteriaceae 1, Bacteroidaceae y Porphyromonadaceae ( Fig. 2 ). Estas familias componían un total del 45,6% y el 39,2% de todos los Bacteriodetes en los intestinos posteriores de la mantis religiosa y las cucarachas, respectivamente.

En el nivel de OTU del 97%, se compartieron pocos linajes entre mantis religiosas y cucarachas. Solo se encontraron 7 OTU en todos los microbiomas de insectos en el estudio, 52 compartidas entre todas las mantis religiosas (pero no las cucarachas) y 19 compartidas entre todas las cucarachas ( Fig. 1A y Tablas S2 - S7 ). Las 52 OTU compartidas entre todas las mantis se encontraron en baja abundancia en la mayoría de las mantis, con una mediana de <1% de abundancia relativa para todas las OTU. Las OTU más abundantes que se encuentran en las mantis religiosas están completamente ausentes en todas las cucarachas o solo se encuentran en unas pocas cucarachas en baja abundancia ( Fig. 3 ). Estas OTU tan abundantes no se encuentran a la misma profundidad en todas las mantis religiosas. Un examen más detenido revela 10 OTU que representan> 20% de abundancia relativa del individuo de mantis religiosa en el que estaban presentes. Estas 10 OTU se distribuyen entre 9 individuos únicos de mantis religiosa, y solo una mantis religiosa alberga dos OTU de alta abundancia ( Fig. 4 ).

Fig. 3

Diagrama de Venn del número de OTU principales compartidas entre todas las especies de mantis religiosa y cucarachas.

figura 4

Abundancia relativa de las 50 OTU de mantis religiosa más abundantes en insectos.

Discusión

Nuestro trabajo sugiere que las mantis religiosas tienen una microbiota intestinal única asociada al huésped que exhibe un perfil filogenético distinto de la microbiota intestinal de las presas y está dominada por linajes que no se encuentran o no son abundantes en las cucarachas. Este resultado contrasta con los trabajos emergentes sobre el microbioma intestinal de las orugas, que demuestran que algunos insectos no tienen microbiota residente y, en cambio, albergan microbiota transitoria asociada a la dieta [ 63 ]. Las fuentes potenciales de estos microbios incluyen la transmisión vertical, el contacto ambiental y/o la inoculación de insectos presa desde una etapa temprana de la vida. Si bien todas las mantis fueron alimentadas con cucarachas en las últimas semanas del estudio, las mantis fueron alimentadas con una combinación de D. melanogaster y D. hydei hasta que sea lo suficientemente grande como para consumir con seguridad ninfas de cucaracha. También es posible que se adquirieran microbios únicos de presas de cucarachas ninfas, ya que solo se incluyeron cucarachas adultas en el conjunto de datos de comparación. Sin embargo, el trabajo de Carrasco et al. demuestra que las ninfas de cucaracha mayores de dos semanas poseen una microbiota intestinal muy similar a la de las cucarachas adultas [ 64 ].

Muchos de los linajes bacterianos predominantes que se encuentran en los intestinos de las mantis mostraron una variación sustancial en la abundancia general entre los individuos. Debido a las técnicas de muestreo destructivas utilizadas, es imposible decir si esta variabilidad es el resultado de la variabilidad interindividual que se combina con la estabilidad temporal intraindividual o si la variabilidad observada es el resultado de frecuentes floraciones microbianas y variabilidad temporal dentro del mismo. tripas de mantis individuales. Si bien la dieta se mantuvo constante para estas mantis, las posibles fuentes de variabilidad pueden incluir el tiempo desde la última comida (que varió desde inmediatamente antes del sacrificio hasta 24 horas antes del sacrificio), lo que puede tener implicaciones para la tasa de pérdida de microbios "transitorios" asociados a las presas. La variabilidad en la composición de la microbiota intestinal también puede deberse a la variabilidad de los microbios introducidos a temprana edad, como Drosophila sp . (la dieta ninfal de nuestras mantis) son conocidos por albergar una amplia variabilidad de individuo a individuo en su microbiota intestinal [ 65 ]. Además, dada la mala salud de algunos insectos sacrificados, no podemos descartar que algunos de estos taxones puedan ser patógenos oportunistas que respondan a eventos disbióticos en el intestino. Sin embargo, si bien el tamaño de nuestra muestra es limitado, no se identificaron diferencias significativas en la composición del microbioma intestinal entre las mantis adultas sanas y los individuos sacrificados tempranamente debido a su mala condición (PERMANOVA, valor de p >0,05), lo que sugiere que la alta variación en la composición del microbioma observada puede deberse típico.

Aunque hubo una gran variabilidad en la microbiota intestinal entre las mantis muestreadas, se encontró una comunidad central de 52 OTU en cada intestino posterior de las mantis ( Tabla S4 ). Las OTU en esta comunidad central se encontraron en baja abundancia entre todas las mantis, y cada OTU componía un promedio de <1% de la abundancia relativa total para cada mantis. Sin embargo, esta comunidad central de mantis era casi tres veces más grande que el grupo de presuntas especies bacterianas compartidas sólo entre todas las cucarachas muestreadas (19 OTU). Muchas de estas 52 OTU incluyen miembros de los filos Actidobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes, Gemmatimonadetes, Nitrospirae, Planctomycetes, Proteobacteria y Verrucomicrobia. Varios de estos filos no se encontraron en ninguna de las mantis religiosas muestreadas por Yun et al [ 11 ]. Esto no es sorprendente debido a la baja profundidad de secuenciación de estas muestras, que promediaron 552 secuencias por mantis en comparación con nuestro promedio de 31, 231 secuencias por mantis [ 11 ]. Estas 52 OTU principales no son clasificables en resoluciones taxonómicas altas, y la mayoría están sin resolver más allá del nivel de orden o familia. Esto hace que sea difícil predecir las funciones funcionales de estos taxones dentro del microbioma intestinal de las mantis intestinales. Sin embargo, algunas de estas OTU principales pueden brindar asistencia para neutralizar y/o degradar toxinas ambientales comunes o asociadas a presas. Si bien no se sabe que las cucarachas y Drosophila produzcan o transporten toxinas, en la naturaleza las mantis se alimentan habitualmente de insectos, como las orugas, que utilizan mecanismos de defensa aleoquímicos [ 14 , 16 - 18 ]. Trabajos emergentes demuestran que el microbioma intestinal de los insectos puede ayudar en la degradación de sustancias tóxicas, como el aleoquímico cardenólido o el pesticida clorpirifos [ 3 , 13 , 15 , 19 , 22 ]. Los microbios intestinales asociados con estas actividades incluyen numerosos Lactobacillus y Enterococcus sp ., incluidos Lactobacillus lactis y Enterococcus faecalis [ 3 , 19 ]. OTU asignadas a Lactobacillus y Enterococcus sp . estaban presentes en la microbiota intestinal de múltiples mantis y tres de las 52 OTU principales de mantis eran Lactobacillus sp .

Uno de los objetivos de este trabajo era determinar en qué medida el microbioma intestinal de las mantis religiosas se parece al de otros miembros del superorden Dictyoptera. Nuestros resultados sugieren que, a diferencia de las cucarachas y las termitas, la mantis religiosa posee una comunidad microbiana intestinal que es altamente variable entre individuos, con una diversidad alfa promedio más baja y una diversidad beta más alta que la observada en las cucarachas. Esta diferencia puede deberse a la dieta depredadora y/o al estilo de vida solitario de las mantis. Trabajos anteriores han sugerido que los insectos omnívoros tienen una microbiota intestinal más diversa que los insectos que son exclusivamente carnívoros o herbívoros, lo que podría explicar en parte la mayor diversidad alfa observada en las cucarachas [ 11 ]. Alternativamente, los estilos de vida gregarios y/o sociales de las cucarachas y las termitas ofrecen más oportunidades para la transferencia de microbios intestinales entre padres e hijos y, por lo tanto, más oportunidades para establecer relaciones estables y coevolutivas entre el huésped y la microbiota intestinal [ 2 ].

En conclusión, este trabajo sugiere que las mantis poseen una microbiota comunitaria intestinal diversa y altamente variable que es única en composición de la de sus presas. En general, este microbioma intestinal es más típico del observado en otros insectos que la microbiota altamente diversa y estable que se encuentra en otros miembros del superorden Dictyoptera. Este trabajo representa el primer examen en profundidad del microbioma intestinal de la mantis religiosa y proporciona una base para trabajos futuros sobre los orígenes del microbioma intestinal del depredador y su papel en la salud y nutrición del huésped.