微生物居住使甲蟲能夠以多葉的飲食為食

包括馬克斯普朗克化學生態(tài)研究所研究人員在內(nèi)的一個國際團隊描述了一種存在于甲蟲種類中的細菌，這種細菌具有意想不到的特征：它為甲蟲提供了分解某些植物細胞壁成分所需的酶。細菌的基因組是生活在宿主細胞外的任何生物體的最小序列。它含有負責果膠酶生成的基因，果膠酶是分解果膠的酶，果膠是植物細胞壁的重要組成部分。因此，果膠酶的產(chǎn)生是這些細菌的主要功能。沒有細菌共生體，甲蟲就無法獲得植物細胞內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)，因此無法生存。這項研究今天在Cell報道。

“我們研究的基石是甲蟲的共生器官的組織學描述和圖紙，這些都是德國動物學家Hans-JürgenStammer在80多年前首次發(fā)表的。我們希望分子化地描述葉甲與其共生體之間的非凡伙伴關(guān)系。Stammer描述為一種罕見的特性，“第一作者Hassan Salem，曾任馬克斯普朗克化學生態(tài)研究所的博士生，解釋道。他目前是美國喬治亞州亞特蘭大埃默里大學Alexander von Humboldt基金會的Feodor Lynen博士后研究員。

Hans-JürgenStammer(1899-1968)研究了20世紀20年代和30年代昆蟲和細菌之間的共生關(guān)系。他發(fā)現(xiàn)葉甲蟲(Chrysomelidae)因不參與共生伙伴關(guān)系而臭名昭著。然而，他的研究還表明，在一些烏龜甲蟲物種中有這種發(fā)現(xiàn)的例外，例如薊龜甲蟲(Cassida rubiginosa)。這些烏龜甲蟲配備了不尋常的器官，他在1936年的研究中描述了這些器官。該共生細菌棲息在甲蟲內(nèi)臟的囊狀貯存器中。雌性甲蟲將共生體通過陰道管轉(zhuǎn)移到它們的后代，通過在每個蛋上涂上一個微小的共生囊。孵化幼蟲通過蛋殼吃，然后消耗含有共生細菌的囊。

葉甲蟲能夠在消化酶的幫助下降解植物細胞壁的組分，例如纖維素和果膠。然而，遺傳分析表明，薊龜甲蟲缺乏負責產(chǎn)生各種酶(果膠酶)的基因。這項新的研究表明，這種缺陷可以通過與位于甲蟲腸道附近的特殊器官中的細菌密切合作來彌補。了解細菌共生體的重要性對于甲蟲，作者進行了一系列生物測定，其中一些與酶測量相結(jié)合。“當我們比較有和沒有共生細菌的龜甲蟲的酶活性時，我們發(fā)現(xiàn)沒有共生體的甲蟲不能消化果膠以獲得細胞中的營養(yǎng)物質(zhì)，因此它們的存活機會減少了，”馬克斯普朗克化學生態(tài)研究所的Roy Kirsch。

研究人員在他們目前的研究中稱為“Candidatus Stammera capleta”的共生細菌的遺傳分析，以紀念Stammer的觀察結(jié)果，揭示了另一個驚喜：微生物的基因組只減少到幾百個基因，其中一些基因調(diào)節(jié)生產(chǎn)和果膠酶的運輸。因此，基因組是微小的：僅含有~270,000個堿基對，細菌的基因組是對宿主細胞外存在的生物體所描述的最小的基因組。生活在包括人類在內(nèi)的許多動物腸道內(nèi)的對照細菌中的大腸桿菌具有4.600.000或17倍的堿基對。據(jù)了解，只有一些寄生在宿主細胞內(nèi)的細菌比甲蟲共生體具有更小的基因組。

甲蟲與其共生體之間的共生關(guān)系具有明確的分工。“甲蟲宿主擁有負責產(chǎn)生纖維素酶以消化纖維素的基因，而共生體提供果膠酶。它們一起具有分解植物細胞壁所必需的酶。特別值得注意的是，這是對專門化的第一個描述。細菌共生體具有致力于果膠降解的主要或甚至唯一的功能，“Hassan Salem總結(jié)道。

今天存在的許多食草動物是隨著時間的推移而進化的適應性的結(jié)果。事實上，微生物在許多這樣的適應中發(fā)揮了重要作用。薊龜甲蟲是一個令人印象深刻的例子。沒有果膠酶，它就無法獲得植物細胞內(nèi)的營養(yǎng)。這些酶的生產(chǎn)已外包給服務提供商：一種生活在腸道附近特殊器官中的細菌。

在許多葉甲蟲物種中，激活消化酶以降解植物細胞壁的基因來自真菌和細菌，并通過水平基因轉(zhuǎn)移被引入甲蟲祖先的基因組中。“令人著迷的是，昆蟲已經(jīng)解決了如何以不同方式分解植物細胞壁的問題。為什么有些昆蟲從水平微生物中獲取基因，而其他昆蟲保持共生體來做同樣的工作是一個有趣的問題，未來仍有待解決研究，“美因茨大學的Martin Kaltenpoth說。

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