双重共生支持木食甲虫的角质层形成

甲虫通常依靠细菌伙伴的帮助来生存。这些共生可以有不同的功能。细菌共生体可能有助于消化植物物质，使甲虫对植物防御更具抵抗力，或者在甲虫适应营养贫乏的栖息地时提供补充营养。在几种甲虫物种中，已经描述了它们的细菌盟友为角质层(昆虫的外骨骼)的形成提供了重要成分。

“关于甲虫共生体对氮的回收和某些氨基酸的合成作为稳定角质层的关键成分的重要性的研究仍然是一个年轻的研究领域，”来自约翰内斯古腾堡大学的朱利安基弗说美因茨(JGU)，该研究的第一作者。

强壮而坚固的角质层是适应不利生物和非生物因素的关键

角质层是一种由交联蛋白质和几丁质聚合物组成的硬装甲，是昆虫抵御捕食者和病原体的主要防御手段，也是厌恶非生物因素，如极度干燥的环境。以前的研究已经确定了专门的共生体对甲虫和蚂蚁角质层合成的重要性。这些共生体的去除或抑制减少了角质层厚度，使甲虫更容易受到干燥、捕食和病原体的攻击。

目前的工作调查了螺旋甲虫(Bostrichidae)家族，其中包括木材和谷物饲料物种。从一个世纪前的组织学图纸中，人们知道一些螺旋甲虫物种与甲虫特定器官中发现的一种或两种细菌共生体有关。

为了找出共生体为甲虫提供哪些重要的代谢物，美因茨大学和马克斯普朗克化学生态研究所的研究小组与日本国家先进工业科学技术研究所的合作伙伴合作，获得了螺旋甲虫家族不同甲虫物种及其共生细菌的基因组序列。

“对我们来说最大的挑战是具有两个共生体的螺旋甲虫属。由于它们相对密切相关，因此很难分离两种共生体的基因组。为此，我们必须依靠最新的无扩增，长读长测序技术来克服这一挑战，“马克斯普朗克化学生态研究所的研究负责人Tobias Engl在描述方法论方法时说。

结果表明，几乎所有的螺旋甲虫物种都与Shikimatogenerans bostrichidophilus菌株的共生细菌有关。这种共生体是由所有螺旋甲虫的共同祖先获得的，并且可能在整个家庭中得到维护。它与甲虫宿主共同进化，产生芳香族氨基酸酪氨酸的前体。相比之下，第二共生体，

Bostrichicola ureolyticus可能被螺旋甲虫中只有两个亚科的祖先获得 - 并且在每个亚科中至少丢失一次。这种共生体能够回收氮并产生另一种氨基酸赖氨酸。通过这样做，它为宿主提供了额外的营养，并可能允许它殖民新的生态位。对于大多数食草动物来说，氮是一种有限的但因此有价值的营养素。

酪氨酸和赖氨酸对于形成强壮而坚固的外骨骼尤为重要。它们负责交联角质层，使其刚性，但也负责着色角质层并使其不那么透水的颜料。更强壮的角质层可以更好地保护甲虫免受天敌的侵害，还可以防止在恶劣或极度干燥的栖息地干燥。

古代伙伴——不寻常的双重共生

在螺旋甲虫中发现的两种共生细菌代表了拟杆菌细菌昆虫相关组中两个最特化的物种。相关成员是蟑螂、蝉、鳞片昆虫和粉虱的专性共生体，但保留了合成更广泛营养素的能力。然而，由于多种原因，在螺旋甲虫中发现的双重共生并不常见。

“到目前为止，双重共生仅在蝉和相关昆虫中被描述。它们通常包括系统发育不同的微生物，第二个共生体通常会取代旧共生体的侵蚀代谢能力，“马克斯普朗克化学生态研究所昆虫共生系主任Martin Kaltenpoth解释说。

相比之下，这项研究首次显示了甲虫家族中与密切相关的营养共生体的双重共生的案例。在这里，甲虫似乎已经独立地获得了两个细菌伙伴。与不同细菌共生的趋同进化为螺旋甲虫家族研究物种的角质层合成提供重要成分，突出了其对甲虫的重要性。