《Communications Biology》：Evolutionary dynamics of plant cell wall-degrading enzymes reflects feeding ecology in weevils
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许多植食性甲虫依赖植物细胞壁降解酶（plant cell wall-degrading enzymes, PCWDEs）来获取富含营养的植物细胞内容物。然而，象甲（weevils）——最多样化的植食性谱系——中PCWDEs的进化仍知之甚少。通过覆盖大部分现存亚
许多植食性甲虫依赖植物细胞壁降解酶（plant cell wall-degrading enzymes, PCWDEs）来获取富含营养的植物细胞内容物。然而，象甲（weevils）——最多样化的植食性谱系——中PCWDEs的进化仍知之甚少。通过覆盖大部分现存亚科的45种象甲的转录组和基因组分析，研究人员共鉴定出13个不同的PCWDE家族，显示物种间高度变异性。有趣的是，PCWDE库与饮食特化相关，在食真菌类群中呈现趋同减少。此外，PCWDE基因家族动态受到幼虫和成虫对不同植物器官特化植食性的驱动。尽管进化历史复杂，系统发育分析将核心PCWDE功能置于Phytophaga（象甲、叶甲和天牛）的基部，并揭示了在Phytophaga早期多样化期间来自不同供体的后续水平基因转移（horizontal gene transfer, HGT）事件。这些发现表明，HGT、基因重复和丢失塑造了PCWDE多样性，并促进了象甲的生态成功。
植物细胞壁是植食性昆虫获取营养的主要屏障。植物细胞壁降解酶（plant cell wall-degrading enzymes, PCWDEs）能够降解纤维素、半纤维素和果胶，是许多植食性甲虫消化植物组织的关键工具。在鞘翅目最大的植食性分支Phytophaga（包含象甲、叶甲和天牛）中，叶甲和天牛的PCWDE基因家族已有较系统的研究，而象甲——这一包含约60,000种的最多样化植食性甲虫谱系——尽管饮食范围极广（叶片、木质、汁液、种子、真菌等），其PCWDE的分布与进化历史仍十分零散，此前仅约半数象甲亚科有过相关报道。这种知识缺口限制了对PCWDE在象甲生态多样化中作用的理解，因此有必要开展全面表征。
研究人员利用45种象甲（覆盖24个亚科，除Caridae和Nemonychidae外所有现生象甲科）的转录组和基因组数据，结合系统发育比较分析，系统刻画了象甲中PCWDE的基因家族组成、分布和进化历史。研究共鉴定出13个PCWDE家族，包括纤维素酶（GH9、GH45、GH48）、果胶酶（GH28、CE8、PL4、GH78、GH43_6）和半纤维素酶（GH10、GH43_26、GH5_2、GH5_8、GH5_10）。结果发现，核心PCWDE（GH9、GH45、GH48、GH28）几乎存在于所有物种中，而其他家族则呈现斑驳分布。系统发育分析显示，多种PCWDE家族源自不同的水平基因转移（horizontal gene transfer, HGT）事件，来自细菌、真菌、螨虫或甲虫等不同供体。食真菌和取食汁液的象甲类群独立地经历了PCWDE基因家族的显著缩减；而取食不同植物组织（叶、繁殖器官、维管组织）的物种在PCWDE组成上存在显著差异，幼虫和成虫饮食均与PCWDE库相关，其中果胶酶基因的变异与饮食特化关联最强。这些发现表明，HGT、基因重复和丢失共同塑造了象甲的PCWDE库，并促进了其取食特化和适应性辐射。
在主要技术方法方面，研究人员自行采集并测序了21种象甲的转录组，并从公共数据库（NCBI SRA/TSA）获取了另外24种象甲的转录组或基因组数据，共覆盖24个亚科。转录组组装采用CLC Genomics Workbench，完整性用BUSCO评估。物种树基于107个单拷贝直系同源基因的密码子比对，以IQ-TREE进行最大似然分析。PCWDE候选基因通过dbCAN和tBLASTn筛选，结合人工校正；基因结构通过比较cDNA与基因组序列确定。系统发育关系用MAFFT比对、IQ-TREE推断。饮食相关性采用主成分分析（PCA）和置换多元方差分析（MANOVA），并用系统发育广义最小二乘（procD.pgls）校正系统发育。
研究结果分述如下：
**物种系统发育**：基于107个直系同源基因构建的最大似然树支持所有象甲科为单系，并证实了Brachycerinae的并系性，Lissorhoptrus与Dryophthorinae和Platypodinae更近。研究还恢复了与先前研究一致的CEGH和CCCMS两个主要进化支。
**PCWDE家族分布：核心集**：GH9、GH45、GH48和GH28在几乎所有象甲中普遍存在，构成核心PCWDE集。系统发育分析显示GH28存在动态进化历史，Araecerus fasciculatus的GH28与天牛Lamiinae亚科的序列聚在一起，且具有保守的内含子位置，提示不同起源。
**PL4和CE8：象甲科的特征**：果胶甲酯酶（CE8）和鼠李糖半乳糖醛酸裂解酶（PL4）主要限于象甲科（Curculionidae），少数例外。系统发育分析表明CE8可能来自单次细菌HGT，而PL4在象甲中至少三次独立起源，来自不同Gammaproteobacteria供体。
**斑驳分布的PCWDE家族**：GH78、GH5_2、GH10、GH43_26、GH5_10和GH43_6等家族在象甲中分布零星。系统发育和基因结构分析揭示了这些家族各自独立的HGT起源，例如GH10可能源自放线菌的单次获得后在多个谱系丢失，GH43_26在甲虫中至少两次独立获得。
**GH43_6：动物中首次发现的酶家族**：在Cimberis attelaboides和三种Attelabidae中发现了GH43_6，这是该家族首次在动物中发现。系统发育分析显示其与Pezizomycotina真菌序列紧密相关，且内含子位置部分保守，表明从真菌供体经HGT获得，随后发生基因重复。
**GH5_2：在单一物种中高度扩张**：GH5_2仅在Araecerus fasciculatus中发现，具有10个拷贝，位于串联重复的基因簇中。系统发育显示其与天牛GH5_2聚在一起，序列相似性高，提示可能通过甲虫间HGT获得。
**饮食特化解释象甲PCWDE库**：主成分分析和置换MANOVA显示，食真菌与植食性象甲的PCWDE基因家族大小模式显著不同，且食真菌类群趋同减少。将植食性细分为取食光合组织、繁殖器官和维管组织后，幼虫和成虫阶段的基因谱均存在显著分离。系统发育修正的MANOVA进一步表明，果胶酶基因（GH28、CE8、PL4、GH78、GH43_6）的数目与饮食显著相关，而纤维素酶和半纤维素酶相关性不显著。
讨论部分总结了核心PCWDE的广泛分布及其重要性，果胶降解酶在象甲中高度多样，半纤维素酶斑驳分布可能反映生态位适应。PCWDE进化历史充满HGT、重复和丢失，包括甲虫间HGT和螨-甲虫HGT。饮食转变，尤其是植食到食真菌的转变，与PCWDE库缩减相关。
研究结论翻译：基于研究结果，研究人员得出结论，象甲至少拥有13个参与植物细胞壁降解的CAZyme家族/亚家族。本研究表明植食性Curculionoidea拥有多样且可适应的PCWDE库，能够分解植物细胞壁多糖。相反，转向取食真菌或植物汁液的象甲已丢失或显著减少这些酶。有趣的是，在校正系统发育后，PCWDE库能反映幼虫和成虫的饮食，凸显了PCWDE在两个生活阶段营养中的重要性。本研究为Phytophaga中PCWDE的进化动态提供了新见解，突出了HGT事件和基因重复在塑造酶库中的作用，最终促进了饮食特化和适应辐射。此外，研究提出了导致Phytophaga祖先PCWDE库的HGT事件情景，这可能促进了这一巨型多样化昆虫群体的巨大进化成功，并为地球上最成功的适应辐射之一奠定了基础。
