双重共生支持食木甲虫的角质层形成
甲虫通常依靠细菌伙伴的帮助才能生存。这些共生体可以具有不同的功能。细菌共生体可能有助于消化植物材料，使甲虫更能抵抗植物防御，或者在甲虫适应营养贫乏的栖息地时提供补充营养。在几种甲虫物种中，已经描述了它们的细菌盟友为角质层(昆虫的外骨骼)的形成提供了重要成分。
“关于甲虫共生体对氮循环和某些氨基酸合成作为稳定角质层关键成分的重要性的研究仍然是一个年轻的研究领域，”美因茨约翰内斯古腾堡大学 (JGU) 的 Julian Kiefer 强调说，第一个该研究的作者。
强壮的角质层是适应不利生物和非生物因素的关键
角质层是一种由交联蛋白质和几丁质聚合物组成的坚硬装甲，是昆虫抵御捕食者和病原体的主要防御手段，也是抵御极端干燥环境等非生物因素的主要防御手段。以前的研究已经确定了特殊共生体对甲虫和蚂蚁角质层合成的重要性。去除或抑制这些共生体会减少角质层厚度，并使甲虫更容易受到干燥、捕食和病原体攻击的影响(参见“甲虫的致命弱点”，新闻稿，2021 年 5 月 11 日)。
目前的工作调查了螺旋甲虫 (Bostrichidae) 家族，其中包括以木材和谷物为食的物种。根据一个世纪前制作的组织学图，我们知道某些螺旋甲虫物种与在甲虫特定器官中发现的一种或两种细菌共生体有关。为了找出共生体为甲虫提供哪些重要代谢物，美因茨大学和马克斯普朗克化学生态研究所的研究团队与日本国家先进工业科学技术研究所的合作伙伴合作，获得了基因组序列来自螺旋甲虫家族的不同甲虫物种及其共生细菌。
“对我们来说最大的挑战是具有两个共生体的螺旋甲虫属。由于它们的关系相对密切，因此很难分离两个共生体的基因组。要做到这一点，我们不得不依靠最近的无扩增，长期 -阅读测序技术来克服这一挑战，”来自马克斯普朗克化学生态学研究所的研究负责人 Tobias Engl 在描述方法学方法时说。
结果表明，几乎所有的螺旋甲虫物种都与Shikimatogenerans bostrichidophilus菌株的共生细菌有关。这种共生体是由所有螺旋甲虫的共同祖先获得的，并且可能在整个家族中得以维持。它与甲虫宿主共同进化，产生芳香族氨基酸酪氨酸的前体。相反，第二种共生体Bostrichicola ureolyticus, 可能只被螺旋甲虫中两个亚科的祖先获得——并且在每个亚科中至少丢失一次。这种共生体能够回收氮并产生另一种氨基酸赖氨酸。在这样做的过程中，它为宿主提供了额外的营养，并可能允许它在新的生态位定居。对于大多数食草动物来说，氮是一种有限的、因此也是有价值的营养素。酪氨酸和赖氨酸对于形成坚固的外骨骼特别重要。它们负责交联角质层，赋予其刚性，还负责为角质层着色并使其不易透水的色素。更强壮的角质层可以更好地保护甲虫免受天敌的侵害，同时也可以防止在恶劣或极度干燥的栖息地中发生干燥。
古老的伙伴——不寻常的双重共生
在螺旋甲虫中发现的两种共生细菌代表了与昆虫相关的拟杆菌门细菌中的两种最特殊的物种。相关成员是蟑螂、蝉、介壳虫和粉虱的专性共生体，但保留了合成更广泛营养素的能力。然而，由于多种原因，在螺旋甲虫中发现的双重共生并不常见。“到目前为止，双重共生只在蝉和相关昆虫中被描述过。它们通常包括系统发育不同的微生物，第二个共生体通常会取代旧共生体被侵蚀的代谢能力，”马克斯普朗克化学生态研究所昆虫共生系主任 Martin Kaltenpoth 解释道。
相比之下，这项研究首次展示了甲虫家族中与密切相关的营养共生体的双重共生案例。在这里，甲虫似乎独立获得了两个细菌伙伴。与不同细菌共生的趋同进化为螺旋甲虫家族的研究物种提供角质层合成的重要成分，突出了它对一般甲虫的重要性。这种双重共生的细菌伙伴的具体贡献代表了物种特异性适应，使甲虫能够在各自的营养生态位中茁壮成长。
甲虫通常依靠细菌伙伴的帮助才能生存。这些共生体可以具有不同的功能。细菌共生体可能有助于消化植物材料，使甲虫更能抵抗植物防御，或者在甲虫适应营养贫乏的栖息地时提供补充营养。在几种甲虫物种中，已经描述了它们的细菌盟友为角质层(昆虫的外骨骼)的形成提供了重要成分。
“关于甲虫共生体对氮循环和某些氨基酸合成作为稳定角质层关键成分的重要性的研究仍然是一个年轻的研究领域，”美因茨约翰内斯古腾堡大学 (JGU) 的 Julian Kiefer 强调说，第一个该研究的作者。
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