甲蟲與真菌共生合作,逐漸融為一體,也許是許多基因的來源方式

2021-01-08 孜然實驗室

基因組長度的比較，（A）Burkholderia sp. Lv-StB；（B）B.gladioli Lv-StA與最近的同系物基因比較。長度小於80%被認為是假基因（基因不能表達或編碼的蛋白質沒有功能，位於黑線下方）。顯然A丟失了更多的基因。圖片：mBio（2020） DOI：10.1128/mBio.02430-19

如果您是甲蟲，生活會很艱難。

有人想吃掉你，而你卻阻止不了他們。在廣闊的世界中，您很小。即使您很幸運能夠繁殖，討厭的真菌也可能會來破壞您的卵。

幸運的是，對於在整個南美發現的取名為Lagria villosa的甲蟲來說，其祖先很早就吸取了一些細菌。細菌包含一個基因序列，該序列指導其製造對抗真菌的化學物質lagriamide。因此， Lagria學會用細菌包被自己的卵，幫助它們在潛伏在土壤中的危險真菌中生存。聯盟誕生了。

Lagria的甲蟲

在一項新研究中，威斯康星大學麥迪遜分校藥學院的科學家揭示了這種甲蟲-細菌夥伴關係的遺傳歷史。他們發現，產生lagriamide的微生物逐漸失去了一系列基因，並從其他細菌中獲得了一些基因，因為它與甲蟲之間越來越相互依賴。

威斯康星大學麥迪遜分校藥理學教授Jason Kwan與德國研究人員合作完成了這項工作，該工作於2月25日發表在mBio雜誌上。

在全世界估計的一萬億種細菌中，實驗室中只能繁殖一小部分。許多共生細菌永遠無法分離，因為它們失去了在容納它們的植物或動物之外生長的能力。然而，宿主將這些細菌保留在身邊的原因恰恰是因為它們會產生有用的化學物質，對人類也可能有用。

因此，Kwan轉向高級基因測序，以揭示他的德國同事收集的Lagria甲蟲中每種細菌物種的基因組。在南美的大豆害蟲Lagria甲蟲已經進化出可以容納細菌的結構，使它能夠將細菌傳給後代。科學家認為lagriamide是推動這種夥伴關係的因素，Kwan的研究小組想知道哪種細菌製造了抗真菌藥。

篩選所有遺傳信息後，研究人員發現甲蟲中有許多細菌被稱為伯克霍爾德菌（Burkholderia）。最豐富的伯克霍爾德氏菌也是唯一能夠製造lagriamide的物種，該物種已經失去了許多關鍵基因。它的基因組已縮小到與其最接近的自由生活親戚的基因組大小的四分之一。

Lagria甲蟲通過卵將真菌傳給了後代

Kwan的研究小組發現，這種細菌獲得了一套基因，使其能夠在500萬到1000萬年前的某個時間製造lagriamide。細菌從其他未知微生物中吸收了基因。這種基因交換在細菌中很常見。

「因此，我們認為這些lagriamide基因是由該共生體的自由祖先獲得的。然後建立了共生關係，因為製造lagriamide是甲蟲的生存優勢，也許是因為它的更多幼蟲可以倖免於真菌感染。」 Kwan說。

隨著細菌的發展，細菌和甲蟲之間的相互依賴越來越緊密，微生物丟棄了大部分基因。在宿主體內生存並不需要像單獨生活那樣多的遺傳工具，並且那些不必要的基因會變異，直到它們完全消失。

但是，即使該細菌分配了不再使用的基因，它仍然從甲蟲藏匿的相關微生物中吸收了新的基因。這種「得失」的跡象表明，共生體中常見的較小基因組不僅僅是像以前所認為的走向衰落的單向路。

Kwan說，這是在數百萬年的時間裡磨練出的強大的共生夥伴關係。

Kwan說：「這項研究是進化可以塑造生物活性分子的一個例子。但是它也說明，一些最重要的分子很可能是由共生體製造的，無法在實驗室中進行培養。因此，它突顯了研究所有微生物的重要性，而不僅僅是研究我們能夠培養的微生物。」

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