Assessment of microbial communities associated with the gut and feeding substrate of three xylophagous coleopteran families with emphasis on cellulose-degrading bacteria

Abstract

The current energy crisis and depletion of fossil fuel reserves has encouraged research for new alternatives. Degradation of plant material by enzymatic reactions represents an important strategy to obtain affordable and renewable energy. In nature, several beetle species have solved this problem by developing digestive systems colonized by specialized microbiota capable of breaking down recalcitrant carbon through cellulose- breaking enzymes, releasing sugars that later are used as nutrients. Therefore, their associated microbes represent potential sources of novel bioenergy-relevant molecules. Previous work, centered on one beetle Family (Passalidae) from one location in Costa Rica, revealed the occurrence of distinct microbial communities among larvae, adults and their woody substrate inside the same decomposing log. Furthermore, larval metagenomes were enriched in Firmicutes (particularly Ruminococcaceae) sequences and they harbor multiple genes coding for cellulose degrading enzymes. In the present study, I first evaluated whether the unique communities observed for Passalid beetles remain stable in other locations and compared them with other families of xylophagous beetles. This goal was achieved by sequencing 16S rRNA gene libraries from a total of 84 Coleopteran- associated samples collected in 3 different Costa Rican regions (Braulio Carrillo, Corcovado and Isla del Coco National Parks). These samples included the intestinal content of beetles (larvae and adults) belonging to 3 different families (Passalidae, Scarabaeidae and Cerambycidae) and the woody substrate they consume. Employing NMDS analyses, I confirmed that microbial communities are mainly driven by sample type (larvae, adult or substrate), but are also influenced by the other two variables: beetle family and geographic location. Also, I confirmed that Firmicutes is the most abundant phylum in both adult (40%) and larval (35%) samples from all beetles tested and that Ruminococcaceae (15%) is the most abundant family in larvae. The high abundance of Ruminococcaceae OTUs in larvae suggests an important role of these organisms in the overall gut metabolism and cellulose breakdown from the wood they feed on. To evaluate this possibility, available metagenomes and a collection of metagenome assembled genomes (MAGs) from Passalid beetles were employed to analyze the potential of the Ruminococcaceae family to degrade cellulose. From the metagenomes, 2-3% of all genes related to glycosil hydrolases (GHs) were assigned to the Ruminococcaceae family. Furthermore, out of the 11 Ruminococcaceae MAGs assembled in this work, 9 did not cluster with any of the reference genomes included in the analysis. Four of them have putative cellulases, while two of them, Bin 519 and 174, have gene clusters with several components related to cellulosomes. The present work suggests that anaerobic bacteria, such as Ruminococcaceae, are dominant members of the microbial community in the digestive tracts of Scarabaeidae and Passalidae larvae. Further, these organisms seem to partake directly in cellulose degradation and they also intervene in other metabolic reactions. Considering that these MAGs represent potentially undescribed organisms that are both present in high abundance in the gut of these xylophagous beetles and encode for important genes necessary to obtain nutrients out of their recalcitrant food source, they are ideal candidates for further isolation in pure culture to elucidate their definitive role in this system.

La crisis energética actual y el agotamiento de las reservas de combustibles fósiles han fomentado la investigación para obtener nuevas alternativas. La descomposición de material vegetal por reacciones enzimáticas constituye una oportunidad para obtener energía renovable de manera económica. En la naturaleza, varias especies de escarabajos han resuelto este problema al desarrollar un sistema digestivo colonizado por microbiota capaz de descomponer celulosaa través de enzimas especializadas, liberando azúcares que luego utilizan como suministro de nutrientes. Por lo tanto, estos microorganismos representan fuentes potenciales de nuevas moléculas para la investigación en bioenergía. Trabajos previos, enfocados en una sola familia de escarabajos (Passalidae), en una única ubicación geográfica en Costa Rica, evidenciaron la presencia de comunidades microbianas únicas y distintas entre larvas, adultos y el sustrato asociado dentro del mismo tronco en descomposición. Además, los metagenomas de las larvas están enriquecidos con secuencias de Firmicutes y genes que codifican por enzimas capaces de romper celulosa. En el presente estudio se empleó la secuenciación del gen que codifica para el ARNr 16S para evaluar la composición de la comunidad bacteriana de un total de 84 muestras asociadas a coleópteros recolectadas en 3 diferentes regiones de Costa Rica (Parques Nacionales Braulio Carrillo, Corcovado e Isla del Coco). Estas muestras incluyeron el contenido intestinal de escarabajos (larvas y adultos) pertenecientes a 3 familias diferentes (Passalidae, Scarabaeidae y Cerambycidae) y el sustrato leñoso que consumen. Al emplear un análisis de beta diversidad, se observó que la agrupación de las comunidades microbianas se explica principalmente por el tipo de muestra (larva, adulto o sustrato), aunque la familia del escarabajo y la ubicación geográfica también tiene una incidencia estadísticamente significativa en la composición de la comunidad. Este análisis confirmó que Firmicutes es el filo más abundante en muestras de adultos (40%) y larvas (35%) de todos los escarabajos evaluados, además Ruminococcaceae (15%) es la familia más abundante en las larvas. La gran abundancia de OTUs de Ruminococcaceae en este estadio sugiere un papel importante de estos organismos en el metabolismo general del intestino y su participación en la degradación de la celulosa presente en la madera de la que se alimentan. Para evaluar esta posibilidad, se utilizaron metagenomas disponibles de la familia Passalidae y una colección de genomas ensamblados de metagenomas (MAGs) con el fin de analizar el potencial de la familia Ruminococcaceae para degradar celulosa. En los metagenomas, 2-3% de los genes relacionados con glicosil hidrolasas (GH) se asignaron a la familia Ruminococcaceae.Además, de los 11 MAGs ensamblados pertenecientes a la familia Ruminococcaceae, 9 no se agruparon con ninguno de los genomas de referencia incluidos en el análisis. Cuatro de estos MAGs tienen potenciales celulasas, y entre ellos, el Bin 519 y el Bin 174 tienen agrupaciones de genes relacionados con la estructura de celulosomas. Los resultados anteriores sugieren que bacterias anaerobias, como Ruminococcaceae, son miembros dominantes de la comunidad microbiana en los tractos digestivos de las larvas de la familia Scarabaeidae y Passalidae. Adicionalmente, estos microorganismos parecen tener participación en la degradación de celulosa e intervienen como intermediarios en otras reacciones metabólicas. Por lo tanto, dado que estos MAGs representan organismos presentes en gran abundancia en el intestino de estos escarabajos xilófagos y codifican por genes importantes para la obtención de nutrientes a partir de su substrato alimenticio, es recomendable obtenerlos en cultivo puro para elucidar su contribución en la ecofisiología de sus hospederos.