微生物居住使甲虫能够以多叶的饮食为食

包括马克斯普朗克化学生态研究所研究人员在内的一个国际团队描述了一种存在于甲虫种类中的细菌，这种细菌具有意想不到的特征：它为甲虫提供了分解某些植物细胞壁成分所需的酶。细菌的基因组是生活在宿主细胞外的任何生物体的最小序列。它含有负责果胶酶生成的基因，果胶酶是分解果胶的酶，果胶是植物细胞壁的重要组成部分。因此，果胶酶的产生是这些细菌的主要功能。没有细菌共生体，甲虫就无法获得植物细胞内的营养物质，因此无法生存。这项研究今天在Cell报道。

“我们研究的基石是甲虫的共生器官的组织学描述和图纸，这些都是德国动物学家Hans-JürgenStammer在80多年前首次发表的。我们希望分子化地描述叶甲与其共生体之间的非凡伙伴关系。Stammer描述为一种罕见的特性，“第一作者Hassan Salem，曾任马克斯普朗克化学生态研究所的博士生，解释道。他目前是美国乔治亚州亚特兰大埃默里大学Alexander von Humboldt基金会的Feodor Lynen博士后研究员。

Hans-JürgenStammer(1899-1968)研究了20世纪20年代和30年代昆虫和细菌之间的共生关系。他发现叶甲虫(Chrysomelidae)因不参与共生伙伴关系而臭名昭着。然而，他的研究还表明，在一些乌龟甲虫物种中有这种发现的例外，例如蓟龟甲虫(Cassida rubiginosa)。这些乌龟甲虫配备了不寻常的器官，他在1936年的研究中描述了这些器官。该共生细菌栖息在甲虫内脏的囊状贮存器中。雌性甲虫将共生体通过阴道管转移到它们的后代，通过在每个蛋上涂上一个微小的共生囊。孵化幼虫通过蛋壳吃，然后消耗含有共生细菌的囊。

叶甲虫能够在消化酶的帮助下降解植物细胞壁的组分，例如纤维素和果胶。然而，遗传分析表明，蓟龟甲虫缺乏负责产生各种酶(果胶酶)的基因。这项新的研究表明，这种缺陷可以通过与位于甲虫肠道附近的特殊器官中的细菌密切合作来弥补。了解细菌共生体的重要性对于甲虫，作者进行了一系列生物测定，其中一些与酶测量相结合。“当我们比较有和没有共生细菌的龟甲虫的酶活性时，我们发现没有共生体的甲虫不能消化果胶以获得细胞中的营养物质，因此它们的存活机会减少了，”马克斯普朗克化学生态研究所的Roy Kirsch。

研究人员在他们目前的研究中称为“Candidatus Stammera capleta”的共生细菌的遗传分析，以纪念Stammer的观察结果，揭示了另一个惊喜：微生物的基因组只减少到几百个基因，其中一些基因调节生产和果胶酶的运输。因此，基因组是微小的：仅含有~270,000个碱基对，细菌的基因组是对宿主细胞外存在的生物体所描述的最小的基因组。生活在包括人类在内的许多动物肠道内的对照细菌中的大肠杆菌具有4.600.000或17倍的碱基对。据了解，只有一些寄生在宿主细胞内的细菌比甲虫共生体具有更小的基因组。

甲虫与其共生体之间的共生关系具有明确的分工。“甲虫宿主拥有负责产生纤维素酶以消化纤维素的基因，而共生体提供果胶酶。它们一起具有分解植物细胞壁所必需的酶。特别值得注意的是，这是对专门化的第一个描述。细菌共生体具有致力于果胶降解的主要或甚至唯一的功能，“Hassan Salem总结道。

今天存在的许多食草动物是随着时间的推移而进化的适应性的结果。事实上，微生物在许多这样的适应中发挥了重要作用。蓟龟甲虫是一个令人印象深刻的例子。没有果胶酶，它就无法获得植物细胞内的营养。这些酶的生产已外包给服务提供商：一种生活在肠道附近特殊器官中的细菌。

在许多叶甲虫物种中，激活消化酶以降解植物细胞壁的基因来自真菌和细菌，并通过水平基因转移被引入甲虫祖先的基因组中。“令人着迷的是，昆虫已经解决了如何以不同方式分解植物细胞壁的问题。为什么有些昆虫从水平微生物中获取基因，而其他昆虫保持共生体来做同样的工作是一个有趣的问题，未来仍有待解决研究，“美因茨大学的Martin Kaltenpoth说。