PNAS | 研究揭示微生物酶是昆虫降解植物细胞壁成分的关键！

2022年9月，国际权威学术期刊PNAS发表了德国马克斯-普朗克化学生态研究所的Roy Kirsch和Yannick Pauchet领导的团队的最新相关研究成果，题为Metabolic novelty originating from horizontal gene transfer is essential for leaf beetle survival的研究论文，展示了叶甲虫如何在进化过程中成功利用新的和以前无法消化的食物来源。这些昆虫通过水平基因转移从微生物中获得了酶，使它们能够降解果胶，即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关键，研究人员得出结论，甲虫破坏细胞壁是为了获取它们所需的营养：植物细胞富含蛋白质的细胞质。

关于昆虫对植物的摄食损害的化石发现，证明昆虫将植物作为食物来源已有4亿多年的历史。研究人员正在研究食草昆虫首先是如何能够分解其植物食物中难以消化的成分。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。

研究人员的目标是更好地了解食草昆虫是如何处理植物细胞壁的，植物细胞壁构成了它们食物的大部分。果胶是嵌入植物细胞壁内的纤维素和半纤维素纤维的基质，它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获得它们的底物，植物细胞才能最终从它们的保护性细胞壁中解放出来。在这种情况下，果胶酶，即果胶降解酶的作用是有效消化叶甲虫食物的关键。

为了研究果胶酶的作用，研究人员产生了不存在这些酶的甲虫株系。最初发现这比预期的要困难得多。甚至通过在叶甲虫幼虫中进行敲除RNAi实验，大幅降低果胶酶的活性也不足以有效抑制果胶消化。研究人员只有通过应用CRISPR/Cas9基因组编辑才能完全敲除叶甲虫中的果胶酶编码基因。以这种方式产生的"果胶酶缺失突变体"幼虫证明其生存能力很低。现在的另一个问题是，果胶消化的降解产物在口服给甲虫幼虫时是否会提高这些甲虫的生存率。然而，正如喂食实验所显示的，情况并非如此。一方面，这个结果对研究人员来说有点意外。但另一方面，这是一个重要的指标，表明叶甲虫消化果胶并不是为了将其分解产物用于自身的新陈代谢，而是破坏果胶，以及可能是其他植物细胞壁多糖，以获取植物细胞的富含蛋白质的细胞质。

叶甲虫Phaedon cochleariae及其CRISPR介导的敲除目标的内源性PG

野生型（浅灰色）、三突变体（深灰色）和四突变体（黑色）株系之间的表型差异

野生型（浅灰色）、三突变体（深灰色）和四突变体（黑色）P. cochleariae株系之间的适应性差异取决于植物

通过给四倍突变体群体喂食不同的物质进行拯救实验

近年来的研究表明，通过水平基因转移获得微生物酶促进了叶甲虫物种的丰富，但也促进了其他昆虫家族的代表。从其他微生物生物中挪用酶，就像一条进化的捷径；无论如何，它首先为昆虫开辟富含果胶的植物作为食物来源创造了条件。也许有一些讽刺意味的是，果胶酶可能首先在植物中进化，以动态地使果胶结构适应植物的变化需求。然后这些酶被植物病原微生物获得，而这些微生物又把它们捐赠给食草昆虫。植物适应策略显然总是涉及风险和副作用。

然而，也有一些叶甲虫物种怀有共生细菌，为其宿主生产果胶酶。所谓的"基因敲除"实验，即使用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，而且还影响昆虫和它们的细菌伙伴之间的相互作用。未来的研究还将关注其他不降解果胶而降解其他植物细胞壁成分的酶。研究人员的工作表明，一个昆虫要想在宿主植物上生存，不仅要适应植物的防御措施，如毒素和摄食抑制因子以及其他次级代谢产物，这一点至关重要。科学家们更关注初级代谢，到目前为止，在关于植物与昆虫相互作用的研究中，初级代谢一直被忽视了。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。

更多精彩内容，点击下方“往期回顾”