Insect Freeze-Tolerance Downunder: The Microbial Connection

Abstract

Insects that are freeze-tolerant start freezing at high sub-zero temperatures and produce small ice crystals. They do this using ice-nucleating agents that facilitate intercellular ice growth and prevent formation of large crystals where they can damage tissues. In Aotearoa/New Zealand the majority of cold adapted invertebrates studied survive freezing at any time of year, with ice formation beginning in the rich microbiome of the gut. Some freeze-tolerant insects are known to host symbiotic bacteria and/or fungi that produce ice-nucleating agents and we speculate that gut microbes of many New Zealand insects may provide ice-nucleating active compounds that moderate freezing. We consider too the possibility that evolutionary disparate freeze-tolerant insect species share gut microbes that are a source of ice-nucleating agents and so we describe potential transmission pathways of shared gut fauna. Despite more than 30 years of research into the freeze-tolerant mechanisms of Southern Hemisphere insects, the role of exogenous ice-nucleating agents has been neglected. Key traits of three New Zealand freeze-tolerant lineages are considered in light of the supercooling point (temperature of ice crystal formation) of microbial ice-nucleating particles, the initiation site of freezing, and the implications for invertebrate parasites. We outline approaches that could be used to investigate potential sources of ice-nucleating agents in freeze-tolerant insects and the tools employed to study insect microbiomes.

Resistance to freezing conditions of endemic Antarctic polychaetes is enhanced by cryoprotective proteins produced by their microbiome

“…Pioneer studies revealed that microorganisms themselves ( 60 , 61 ) by acting as surfaces for the promotion of water molecule aggregation ( 62 ) may confer resistance to subzero temperatures ( 63 ). Other investigations on aquatic and terrestrial poikilothermic organisms hypothesized a connection between freeze tolerance and microbiome ( 64 , 65 ). However, information on the role of the microbiome in the mechanisms adopted by marine invertebrates to cope with extreme cold and freezing conditions is limited.…”

El microbioma de los insectos al descubierto: su importancia marca la diferencia

“…Otros factores que afectan el MBI son el estado nutricional del huésped, la estación del año, la inoculación de la descendencia Las bacterias intestinales mejoran la digestión de los alimentos al descomponer la celulosa y aumentar la absorción de nutrientes, lo que incrementa la gama de fuentes de alimentos y las tasas de crecimiento de los huéspedes (Morgan-Richards et al, 2023). La mediación entre insectos y microorganismos es crítica en la descomposición de la biomasa vegetal y el ciclo del carbono, así como en las tasas de fijación de nitrógeno (Engel y Moran, 2013).…”

“…La mediación entre insectos y microorganismos es crítica en la descomposición de la biomasa vegetal y el ciclo del carbono, así como en las tasas de fijación de nitrógeno (Engel y Moran, 2013). Además, están involucrados en el almacenamiento de grasa, la producción de aminoácidos esenciales y la protección contra patógenos, lo que mejora la respuesta inmune del huésped (Gurung et al, 2019;Morgan et al, 2023). Las bacterias también contribuyen a la comunicación entre miembros de esta y de distintas especies, brindan protección contra enemigos naturales y gobiernan los sistemas reproductivos y de apareamiento (Engel y Moran, 2013).…”

“…Además, ciertos microorganismos facilitan la congelación controlada, ya que les permite sobrevivir en condiciones de frío extremo; por ejemplo, en el caso de la cucaracha alpina (Celatoblatta quinquemaculata), las bacterias Blattabacteriaceae que albergan en su cuerpo le permiten sobrevivir en ambientes de alta montaña al producir proteínas que previenen la cristalización del agua (Morgan-Richards et al, 2023).…”

“…Este puede influir en el comportamiento y desarrollo de los hexápodos, ya que pueden moldearlo al ingerir alimentos con microorganismos beneficiosos, lo cual desempeña un papel crucial en la evolución de estos animales al interactuar con su genoma y afectar su adaptabilidad. Tiene un gran potencial en aplicaciones prácticas, como la agricultura, la salud animal y la biotecnología con el uso de la paratrangénesis como una nueva forma de controlar las poblaciones de insectos o su capacidad para transmitir energético, el desarrollo reproductivo, el comportamiento y, la emisión de señales hormonales y bioquímicas para retrasar o impedir la metamorfosis (Lewis y Lizé, 2015;Morgan-Richards et al, 2023;Xiao et al, 2023).…”