微生物酶是叶甲消化果胶的关键

一个研究小组在一项新的研究中展示了叶甲虫如何在进化过程中成功地利用新的和以前难以消化的食物来源。这些昆虫通过水平基因转移从微生物中获得酶，使它们能够降解果胶(植物细胞壁的固体成分)。由于果胶消化产生的降解产物本身对甲虫的生长和发育并不是至关重要的，研究人员得出结论，甲虫破坏细胞壁以获取植物细胞富含蛋白质的细胞质，这是它们所需的营养。

　　

德国耶拿的马克斯·普朗克化学生态研究所的一个研究小组在一项新研究中展示了叶甲虫如何在进化过程中成功地利用新的和以前难以消化的食物来源。这些昆虫通过水平基因转移从微生物中获得酶，使它们能够降解果胶(植物细胞壁的固体成分)。由于果胶消化产生的降解产物本身对甲虫的生长和发育并不是至关重要的，研究人员得出结论，甲虫破坏细胞壁以获取植物细胞富含蛋白质的细胞质，这是它们所需的营养。

昆虫捕食破坏植物的化石发现证明，昆虫将植物作为食物来源已经有4亿多年了。昆虫共生系的Roy Kirsch和Yannick Pauchet领导的研究人员正在调查食草昆虫是如何首先分解植物食物中难以消化的成分的。在早期的工作中，他们已经表明果胶降解酶在食草甲虫物种中广泛存在。他们还能够证明，这些甲虫的酶总是来自于微生物。因此，目前研究的问题是，这些酶对昆虫的营养和健康有多重要，在这种情况下，芥菜叶甲虫Phaedon cochleariae。

“我们的目标是更好地了解草食性昆虫是如何处理植物细胞壁的，植物细胞壁是它们的主要食物。果胶是植物细胞壁内包埋纤维素和半纤维素纤维的基质，是连接细胞的中间层的主要成分。因此，果胶必须首先被消化，这样纤维素酶和半纤维素酶才能接触到它们的底物，植物细胞最终从它们的保护细胞壁中解放出来。在这种情况下，果胶酶的作用，即果胶降解酶，是叶甲虫食物有效消化的关键，”第一作者Roy Kirsch说。

为了研究果胶酶的作用，研究人员生成了这些酶不存在的甲虫品系。起初，这比预期的要困难得多。”“即使在叶甲幼虫中通过敲除RNAi实验大幅降低果胶酶活性也不足以有效抑制果胶消化。我们只能通过使用CRISPR/Cas9基因组编辑来完全敲除叶甲虫中的果胶酶编码基因，”研究负责人Yannick Pauchet说，强调了“基因剪刀”的重要性，Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna因该技术获得了2020年诺贝尔化学奖。

用这种方法产生的“果胶酶缺失突变体”幼虫的生存能力很低。现在的一个进一步的问题是，当将果胶消化的降解产物口服给甲虫幼虫时，是否会提高这些甲虫的存活率。然而，喂养实验表明，情况并非如此。“一方面，这个结果对我们来说有点意外。但另一方面，这是一个重要的指标，叶甲虫并不消化果胶，将其分解产物用于自己的代谢，而是破坏果胶和其他植物细胞壁多糖，以访问植物细胞富含蛋白质的细胞质，”Roy Kirsch总结了结果。

近年来，包括Yannick Pauchet项目小组在内的研究表明，通过水平基因转移获得微生物酶有助于叶甲虫物种的丰富，但也有助于其他昆虫科的代表，如象鼻虫、树皮甲虫和竹节虫。从其他微生物中获取酶就像一条进化的捷径;无论如何，它为昆虫打开富含果胶的植物作为食物来源创造了条件。“也许有些讽刺的是，果胶酶可能首先在植物中进化，以动态调整果胶结构，以适应植物不断变化的需求。这些酶随后被植物病原微生物获取，这些微生物又将它们捐赠给草食性昆虫。植物适应策略显然总是涉及风险和副作用，”Roy Kirsch说。

然而，也有一些叶甲虫物种，它们的共生细菌会为宿主产生果胶酶。在所谓的“敲入”实验中，使用CRISPR-Cas9将果胶酶基因引入甲虫基因组，现在计划展示这种新的甲虫性状不仅影响植物和昆虫之间的相互作用，而且影响昆虫和它们的细菌伴侣之间的相互作用。未来的研究还将关注其他不降解果胶而是降解其他植物细胞壁成分的酶。Roy Kirsch、Yannick Pauchet和他们的团队的工作表明，昆虫要在寄主植物上生存，不仅仅是对植物防御的适应，比如毒素、摄食抑制剂和其他次生代谢物，这是至关重要的。科学家们更关注初级代谢，这是迄今为止在植物-昆虫相互作用研究中被忽视的。“昆虫消化这些初级代谢物的能力对于食草昆虫的进化成功同样重要，”Yannick Pauchet说。

Journal Reference:

1. Roy Kirsch, Yu Okamura, Wiebke Haeger, Heiko Vogel, Grit Kunert, Yannick Pauchet. Metabolic novelty originating from horizontal gene transfer is essential for leaf beetle survival. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022; 119 (40) DOI: 10.1073/pnas.2205857119