In a hole in the ground: the microbial garden of fungus-growing ants

Abstract

By cultivating basidiomycete fungi as a nutritional resource, fungus-growing ants are part of the first agricultural practices that evolved on Earth. Fungus-growing ants forage for diverse substrates (mostly plant-based) to nourish their fungal crop, whose growth forms an intertwined mesh of hyphae, scaffolding a microbiota that colonizes both the hyphae and the plant substrate. When metabolizing added substrates, the fungal crop not only provides nitrogen, lipids, and cellulose derived carbon to the ants, but also opens niches for a characteristic and adapted microbiota to establish. In this work, we compile data demonstrating that there is much more than the cultivated fungus in the garden; there are exuberant microbial biofilms surrounding the fungus and the substrates brought by the ants. They form together an interkingdom microbial ecosystem known as “microbial garden”, from which would emerge properties way beyond the sum of the fungal crop and the microbiota individual capacities. Here, we first review how the same metabolic arsenal allowing microbial plant degradation may lead to the degradation of environmental pollutants. Second, we assessed the bacterial dimension of the garden spatial organization, detailing microbiota-substrate and microbiota-hyphae physical interactions, as well as unveiling biofilm spatial distribution. These data placed the substrate as a keystone of the garden spatial structure, providing the framework for structuring fungal growth patterns and microbiota colonization. Then, in third, we investigated how different plant substrates influence the garden’s chemical profile and whether the taxonomic composition and spatial distribution of the microbiota respond to these changes. In forth, we attempted another way to investigate the substrate influence in the microbial garden: by looking into the colony of diverse fungus-growing ants, which have distinct colony size, garden maintenance practices, and, most interesting, the range of foraged substrates. In fifth, we returned to the ideas presented in the first chapter, investigating whether the microbial garden biofilm could colonize highly recalcitrant substrates. From this work, we conclude that the microbial garden is a holistic entity responding to the environmental conditions, evolving through time, and likely, keeping metabolic routes useful for our future environmental challenges.

Ao cultivar fungos basidiomicetos como recurso nutricional, formigas cultivadoras de fungos constituem uma das primeiras práticas de agricultura que evoluíram na Terra. Formiga cultivadoras de fungos forrageiam por diversos substratos (em sua maioria derivados de plantas) para nutrir seu cultivo fúngico, o qual cresce formando uma rede interconectada de hifas, sustentando uma microbiota que coloniza tanto as hifas quanto o substrato. Ao metabolizar os substratos adicionados, o fungo cultivado não somente fornece nitrogênio, lipídeos e carbono derivado de celulose às formigas, mas também abre nichos para que uma microbiota característica e adaptada se estabeleça. Neste trabalho, compilamos dados demonstrando que existe muito mais do que o fungo cultivado no jardim: existem exuberantes biofilmes microbianos ao redor das hifas e sobre o substrato trazido pelas formigas. Tais microrganismos formam, em conjunto, um ecossistema microbiano inter-reino conhecido como “jardim microbiano”, a partir do qual emergiram propriedades muito além da soma das capacidades individuais do fungo cultivado e da microbiota. Aqui, em primeiro lugar, nós revisamos como um mesmo arsenal metabólico por trás da degradação microbiana de plantas pode permitir a degradação de poluentes ambientais. Em segundo lugar, acessamos a dimensão bacteriana da organização espacial do jardim, detalhando interações físicas entre microbiota-substrato e microbiota-hifa, assim como revelando a distribuição espacial do biofilme. Esses dados posicionaram o substrato como peça chave na organização espacial do jardim, fornecendo a base para que padrões de crescimento fúngico e colonização da microbiota sejam estruturados. Em terceiro lugar, investigamos como diferentes substratos vegetais influenciam o perfil químico do jardim, avaliando se a composição taxonômica e a distribuição espacial da microbiota respondem a essas mudanças. Em quarto lugar, tentamos outra maneira de investigar a influência do substrato no jardim microbiano: examinando o jardim de diversas formigas cultivadoras de fungos, que apresentam distintos tamanhos de colônia, práticas de manutenção do jardim e, mais interessante, forrageiam por diferentes substratos. Em quinto lugar, retornamos às ideias apresentadas no primeiro capítulo, investigando se o biofilme do jardim microbiano poderia colonizar substratos altamente recalcitrantes. A partir deste trabalho, concluímos que o jardim microbiano é uma entidade holística que responde às condições ambientais, evolui ao longo do tempo e, provavelmente, apresenta rotas metabólicas úteis para nossos futuros desafios ambientais.

Al cultivar hongos basidiomicetos como recurso nutricional, las hormigas cultivadoras de hongos son parte de las primeras prácticas agrícolas que evolucionaron en la Tierra. Las hormigas cultivadoras de hongos buscan diversos sustratos (en su mayoría de origen vegetal) para nutrir su cultivo de hongo, cuyo crecimiento forma una red entrelazada de hifas, sosteniendo una microbiota que coloniza tanto las hifas como el sustrato vegetal. Al metabolizar los sustratos añadidos, el hongo cultivado no sólo aporta nitrógeno, lípidos y carbono derivado de la celulosa a las hormigas, sino que también abre nichos para que se establezca una microbiota característica y adaptada. En este trabajo, recopilamos datos que demuestran que en el jardín hay mucho más que el hongo cultivado: hay biofilms microbianos exuberantes que rodean al hongo y los sustratos traídos por las hormigas. Juntos forman un ecosistema microbiano interreino, conocido como “jardín microbiano”, del cual surgirían propiedades que van más allá de la suma de las capacidades del hongo cultivado y de la microbiota individual. Aquí, primero revisamos cómo el mismo arsenal metabólico que permite la degradación de las plantas por parte de los microorganismos puede conducir también a la degradación de contaminantes ambientales. En segundo lugar, evaluamos la dimensión bacteriana de la estructura espacial del jardín, detallando las interacciones físicas microbiota-sustrato y microbiota-hifas, además de revelar la distribución espacial del biofilm. Estos datos sitúan al sustrato como una pieza clave de la estructura espacial del jardín, proporcionando la base para estructurar los patrones de crecimiento de los hongos y la colonización de la microbiota. Luego, en tercer lugar, investigamos cómo los diferentes sustratos vegetales influyen en el perfil químico del jardín, y si la composición taxonómica y la distribución espacial de la microbiota responden a estos cambios. En cuarto lugar, intentamos otra forma de investigar la influencia del sustrato en el jardín microbiano: analizando la colonia de diversas especies de hormigas cultivadoras de hongos, que varían en tamaño, prácticas de mantenimiento del jardín y, lo más interesante, en los tipos de sustratos que recolectan. En quinto lugar, retomamos las ideas presentadas en el primer capítulo e investigamos si el biofilm del jardín microbiano podría colonizar sustratos altamente recalcitrantes. De este trabajo concluimos que el jardín microbiano es una entidad holística que responde a las condiciones ambientales, evoluciona lo largo del tiempo y, probablemente, mantiene rutas metabólicas útiles para nuestros desafíos ambientales futuros.