棒虫自身产生细菌酶

许多动物依靠它们的微生物组来消化它们的食物。共生微生物产生它们宿主不能的酶，并且这些酶单独或与动物自身的酶一起工作以分解它们的食物。许多植物喂养的昆虫需要降解植物细胞壁的微生物酶，例如果胶酶; 然而，一些昆虫以令人惊讶的方式克服了这种依赖性。德国耶拿马克斯普朗克化学生态研究所的研究人员发现，粘虫可以自己制造微生物酶。从祖先的肠道微生物中，必需酶的基因只是“跳”到它们的昆虫寄主。研究人员在最近发表于“ 科学报告 ”的论文中报告了这一新发现的“水平基因转移” 。

“昆虫不应该制造自己的果胶酶，”昆虫学系博士后研究员，该研究的第一作者Matan Shelomi博士解释道。然而，棒状昆虫产生很多，它们的基因组含有多个果胶酶基因!“基于DNA相似性，来源是γ-蛋白酶杆菌，是棒状昆虫微生物组中最常见的细菌类型，但通常也会在它们吃的叶子上发现。 “我们不确定它是如何发生的，但来自肠道细菌的一个或两个果胶酶基因甚至只是食物中的某些物质明显地跳入棒状昆虫基因组中，然后与昆虫一起进化，”Shelomi解释说。新的果胶酶保留了原有的降解果胶作用，而其他果胶则具有未知功能。

国际合作解决了这个难题

为了找到答案，该团队首先测试了七种不同种类的棒状昆虫，包括仅在加利福尼亚州发现的原始和短种，称为Timema cristinae，在姐妹群中发现所有其他棒状昆虫。Timema没有果胶酶，而其他的，“Euphasmatodea”。然而，尚不清楚Timema是否从未有过这些基因或者只是丢失它们。然后该团队与1K Insect Transcriptome Evolution Project(1KITE)合作。使用来自1000种昆虫的1KITE遗传数据库，包括近50种Phasmatodea，研究人员可以快速搜索多个群体的这些酶。结果显示基因跳跃发生在Timema之后的某个时间 和Euphasmatodea分裂，但在后者分裂成今天的3000种左右物种之前：在1.1亿至6000万年前。

肠道微生物基因可以改变宿主

昆虫学系的其他研究人员之前发现了叶甲中的水平果胶酶转移。这些和棒状昆虫都是叶子上的专家，这可能不是巧合。在水平转移发生后，每个群体都经历了大规模的物种辐射也不一定是巧合。“有一些事情发生了，为了让这个小小的Timema成为一个近3000个物种的行星组，可以接近半米长，”Shelomi说，他指的是世界上最长的昆虫，一种叫做Phoebetica chani的Euphasmatodea。他的新理论，酶扩展假说，是通过突变或水平基因转移突然出现新的酶能力，可以推动物种的进化，改变他们的饮食，专注于单一的食物来源。

除了酶，水平基因转移可以提供任何数量的新能力，我们的微生物组提供了潜在的物种改变蛋白质的巨大来源。“生活在我们肠道中的微生物基因突然成为我们基因组的一部分并改变我们进化历史的过程，这是一个令人难以置信的发现，”Shelomi总结道。