科学家们研究了叶甲虫，这种在我们星球上最具多样性的草食性昆虫是如何通过进化繁荣发展的。他们的研究表明，这些甲虫在不同甲虫群体中独立形成了与细菌的各种合作关系。这些关联在有效消化植物物质中发挥着关键作用。它们也提供了关于细菌与甲虫之间遗传物质交换的洞察。值得注意的是，研究强调了水平基因转移的重要性，指的是将外源细菌DNA整合到甲虫基因组中的过程，认为这源于先前的共生事件。这项研究的总体重点是这些微生物联盟和基因交换在适应叶甲虫饮食中的重要性，从而促进了它们的进化成功。
来自耶拿马克斯·普朗克化学生态研究所和德国图宾根马克斯·普朗克生物学研究所的研究人员以及一个国际科学团队研究了叶甲虫的进化成功，叶甲虫被认为是地球上最多样化的草食性动物。他们的研究结果表明，与细菌的共生关系在不同甲虫谱系中重复且独立地出现，对它们有效消化植物物质的能力起着重要作用。这些合作关系揭示了细菌和甲虫之间遗传物质交换的机制。重要的是，研究强调了水平基因转移，即外部细菌基因被整合到甲虫基因组中，这被认为是过去共生相互作用的结果。该研究最终指出，微生物关系和基因共享在塑造叶甲虫饮食适应方面发挥的关键作用，这促进了它们的进化成就。
叶甲虫科拥有超过5万种已识别的物种，遍布全球，约占草食性昆虫总体多样性的四分之一。这些甲虫以各种植物为食，能够栖息在多种环境中，包括土壤、树冠甚至水域。一些叶甲虫，如臭名昭著的科罗拉多土豆甲虫，是知名的农业害虫。它们的广泛多样性和广泛栖息地强调了它们的进化成功，特别是考虑到树叶是一种难以消化的饮食，通常缺乏营养。
来自耶拿马克斯·普朗克化学生态研究所昆虫共生部门和德国图宾根马克斯·普朗克生物学研究所互惠关系研究组的科学家们力图了解叶甲虫如何在其进化历史中克服这些饮食障碍。不同叶甲虫物种之间是否存在共同的策略，还是它们各自独立发展出满足营养需求的独特方法？
揭示外源遗传物质的重要性
几乎所有的叶甲虫物种都将外源遗传物质整合到其基因组中，这对产生消化植物细胞壁组成成分的酶至关重要。例如，果胶酶是重要的酶，帮助分解果胶—对人类而言是不可消化的纤维，但许多细菌能够消化。约一半的叶甲虫物种与提供重要消化酶的共生细菌保持密切关系，帮助分解食物，并通常提供必需的维生素和氨基酸。
研究人员基于之前的工作，认识到这些甲虫使用自己的遗传编码的果胶酶和它们的共生菌提供的酶。“这些消化酶对甲虫的生存至关重要。然而，我们对哪些甲虫物种依赖共生细菌进行消化，以及哪些不依赖的理解仍不完整。我们旨在通过对所有叶甲虫群体进行比较研究，重建导致目前分布模式的进化路径，”首席作者罗伊·基尔施表示。
团队与国内外同行紧密合作，对全球74种叶甲虫进行了基因组和转录组评估。这一跨所有亚科的比较研究使我们能够深入了解甲虫酶和共生体编码酶的分布是如何随着时间的发展而变化的。“我们的研究还发现，水平基因转移—将外源基因从细菌整合到甲虫基因组中的过程—在叶甲虫中非常普遍。共生关系和水平基因转移对昆虫进化产生了深远的影响，”罗伊·基尔施解释道。
果胶酶的转变与进化
分析表明，大多数甲虫物种要么使用自己的果胶酶（通过水平基因转移获得），要么使用来自其细菌共生体的酶。然而，未观察到同一物种中甲虫及其共生体的果胶酶共存的情况。
“甲虫自身拥有果胶酶与通过共生获得果胶酶的分布差异是这项研究中最显著的发现之一。这种模式引发了关于水平基因转移与共生如何影响甲虫饮食习惯以及依赖外部来源进行重要代谢功能的潜在权衡的进一步问题，”马克斯·普朗克互惠关系研究组负责人哈桑·萨利姆指出。
结果表明，果胶酶的进化是一个动态过程，在水平基因转移与接受共生体之间摇摆。“你可以这样设想这个过程：当形成共生关系时，通过先前的水平基因转移获得的甲虫果胶酶可能被来自共生体的果胶酶取代。涉及共生体的好处在于，其果胶酶可能执行新的功能或更有效，并且还可以通过产生其他消化酶或关键营养素提供额外的优势。因此，甲虫原本的果胶酶基因可能变得不再必要，最终消失。随着共生相互作用的加深，共生体的果胶酶基因可能重新整合回甲虫的基因组，尽管共生体本身可能已经消失。然而，这一过程仍需进一步研究，”昆虫共生部门负责人马丁·卡尔滕波特指出。
通往进化成就的路线图
研究结果展示了反复的水平基因转移和基于细菌的共生形成如何使叶甲虫迅速适应植物性饮食，从而促进了它们的非凡进化成功。
