叶甲虫的进化成功与基因转移和共生有关

叶甲虫科有5万多个描述的物种，分布在世界各地，约占所有草食动物物种多样性的四分之一。叶甲虫几乎以所有植物群为食。它们生活在根际、树冠甚至水下

许多叶甲虫，如科罗拉多马铃薯甲虫，是臭名昭著的害虫。它们的物种丰富性和全球分布突显了它们的进化成功，考虑到叶子是一种难以消化和提供不平衡营养的食物来源，这尤其令人惊讶

耶拿马克斯·普朗克化学生态研究所昆虫共生系和德国图宾根马克斯·普朗克生物研究所共生研究小组的研究人员现在询问叶甲虫在进化过程中是如何克服这些饮食挑战的

不同种类的叶甲虫是否使用相同的策略，或者它们是否找到了其他方法来实现其营养目标

了解外源遗传物质的作用

几乎所有叶甲虫都将外源遗传物质纳入了它们的基因组，基因组负责产生消化植物细胞壁成分所需的酶。例如，果胶酶是分解果胶的酶，果胶是人类无法消化的膳食纤维，但会被许多细菌代谢。

大约一半的叶甲虫与共生细菌密切相关。这些共生菌为甲虫提供了重要的消化酶，帮助它们分解食物成分。它们还经常为甲虫提供维生素和必需氨基酸

研究人员从他们之前的研究中知道，甲虫既使用自己基因组中的果胶酶，也使用共生体编码的果胶酶

第一作者Roy Kirsch解释说：“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需要共生细菌进行消化，哪些不需要共生细菌，以及甲虫的果胶酶来自哪里只有零星的了解。我们想通过对所有叶甲虫群体的比较研究来重建导致今天分布模式的进化情景。”

在国内外同事的支持下，该团队对来自世界各地的74种叶甲虫进行了基因组和转录组分析。这项工作发表在《当代生物学》上

通过对所有叶甲虫亚科的比较分析，研究人员可以了解甲虫酶和共生体编码酶的当前分布是如何进化的

“我们还能够证明，水平基因转移，一种描述细菌外源基因掺入基因组的现象，在叶甲虫中非常普遍。共生和水平基因转移都对昆虫的进化产生了强烈的影响，”Roy Kirsch说

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果胶酶的动态进化

分析还表明，绝大多数甲虫物种要么使用通过水平基因转移获得的自己的果胶酶，要么使用其细菌共生体的果胶酶。然而，甲虫和共生果胶酶从未在任何甲虫物种中同时出现

“甲虫在基因组内编码果胶酶与共生获得果胶酶的二元分布仍然是这项研究中最引人注目的发现之一。这种模式引发了关于水平基因转移和共生如何塑造甲虫消耗和加工叶子的方式，以及与外包关键代谢特征相关的权衡的额外问题，”马克斯·普朗克互惠主义研究小组负责人Hassan Salem解释道

研究结果表明，果胶酶的进化是动态的，其特征是水平基因转移和共生体吸收的交替

昆虫共生系主任Martin Kaltenpoth说：“你可以想象这个过程如下：当建立共生关系时，之前水平基因转移的甲虫果胶酶被共生果胶酶所取代。”

“引入共生体的优点是它的果胶酶可能具有新的活性或更有效，共生体也可能提供额外的好处，例如产生其他消化酶或必需营养素。甲虫自己的果胶酶基因不再需要，在进化过程中会丢失。

”随着共生相互作用的进行，共生体的果胶酶基因可能会转移到甲虫的基因组中，共生体可能会丢失，但这一过程需要更详细的研究。“

研究结果表明，重复的水平基因转移和与细菌的共生关系使叶甲虫能够快速适应植物性饮食，从而为其显著的进化成功做出了贡献