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

“我們研究的基石是甲蟲的共生器官的組織學(xué)描述和圖紙，這些都是德國動(dòng)物學(xué)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(xué)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(xué)Alexander von Humboldt基金會(huì)的Feodor Lynen博士后研究員。

Hans-JürgenStammer(1899-1968)研究了20世紀(jì)20年代和30年代昆蟲和細(xì)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(xì)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(gè)蛋上涂上一個(gè)微小的共生囊。孵化幼蟲通過蛋殼吃，然后消耗含有共生細(xì)菌的囊。

葉甲蟲能夠在消化酶的幫助下降解植物細(xì)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(fù)責(zé)產(chǎn)生各種酶(果膠酶)的基因。這項(xiàng)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(xì)菌密切合作來彌補(bǔ)。了解細(xì)菌共生體的重要性對(duì)于甲蟲，作者進(jìn)行了一系列生物測定，其中一些與酶測量相結(jié)合。“當(dāng)我們比較有和沒有共生細(xì)菌的龜甲蟲的酶活性時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)沒有共生體的甲蟲不能消化果膠以獲得細(xì)胞中的營養(yǎng)物質(zhì)，因此它們的存活機(jī)會(huì)減少了，”馬克斯普朗克化學(xué)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(xì)菌的遺傳分析，以紀(jì)念Stammer的觀察結(jié)果，揭示了另一個(gè)驚喜：微生物的基因組只減少到幾百個(gè)基因，其中一些基因調(diào)節(jié)生產(chǎn)和果膠酶的運(yùn)輸。因此，基因組是微小的：僅含有~270,000個(gè)堿基對(duì)，細(xì)菌的基因組是對(duì)宿主細(xì)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(dòng)物腸道內(nèi)的對(duì)照細(xì)菌中的大腸桿菌具有4.600.000或17倍的堿基對(duì)。據(jù)了解，只有一些寄生在宿主細(xì)胞內(nèi)的細(xì)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(fù)責(zé)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(xì)胞壁所必需的酶。特別值得注意的是，這是對(duì)專門化的第一個(gè)描述。細(xì)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(dòng)物是隨著時(shí)間的推移而進(jìn)化的適應(yīng)性的結(jié)果。事實(shí)上，微生物在許多這樣的適應(yīng)中發(fā)揮了重要作用。薊龜甲蟲是一個(gè)令人印象深刻的例子。沒有果膠酶，它就無法獲得植物細(xì)胞內(nèi)的營養(yǎng)。這些酶的生產(chǎn)已外包給服務(wù)提供商：一種生活在腸道附近特殊器官中的細(xì)菌。

在許多葉甲蟲物種中，激活消化酶以降解植物細(xì)胞壁的基因來自真菌和細(xì)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(xì)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(gè)有趣的問題，未來仍有待解決研究，“美因茨大學(xué)的Martin Kaltenpoth說。