大肠杆菌如何进化成臭虫共生体

我昆虫是一类非常成功的动物：它们征服了每一个大陆，几乎遍及每一个陆地生态系统。但他们并不是单独行动的。许多昆虫物种的成功至少部分归功于产生营养的共生细菌，这种共生细菌使昆虫能够依靠其他动物无法或没有细菌帮助的饮食生存。

虽然昆虫和细菌之间的伙伴关系已经研究了几十年，但它们是如何形成的仍然是一个谜。现在，在8月4日发表在《自然微生物学》(NatureMicrobiology)上的一项研究中，研究人员指导实验室中的细菌进化，以建立一种新的昆虫-细菌伙伴关系，从而深入了解这些共生体如何在自然界中进化。

“这项研究非常新颖和令人兴奋，因为它表明微生物可以轻松地进化成为共生体，”德克萨斯大学阿灵顿分校的昆虫微生物组研究员AlisonRavenscraft没有参与这项研究，她告诉TheScientist电子邮件。

在这项研究中，日本国家先进工业科学技术研究所(AIST)的研究人员使用臭虫(Plautiastali)作为模型。这个物种在它的肠道中有专门的隐窝，里面有一个细菌伙伴(Pantoeasp.)，这对虫子的生存至关重要。虽然研究人员不能100%确定是什么让这种细菌对P.stali如此重要，但该研究的合著者和AIST共生进化研究员TakemaFukatsu告诉TheScientist，其他种类的臭虫依靠共生细菌来产生B族维生素和必需氨基酸，因此P.stali的共生细菌很可能具有类似的功能。

当研究人员用超突变的大肠杆菌菌株替换臭虫的泛菌时，只有5%到10%的细菌能存活到成年，而那些存活下来的细菌发育不良，颜色呈棕色——与健康臭虫的鲜艳绿色形成鲜明对比。

在19组具有超突变大肠杆菌的臭虫中，科学家们从每一代中取出最健康的臭虫(由生长或最健康的颜色决定)并将它们的细菌传给下一代，重复这个过程12代。随着时间的推移，两组臭虫中的大肠杆菌菌株似乎对臭虫有益：接种这些菌株的臭虫颜色得到改善，与前几代相比，它们通常更有可能存活到成年期。

通过分析这两种菌株变得有益前后的基因组，科学家们确定这两种菌株都具有破坏碳分解代谢物抑制(CCR)途径的突变。CCR途径允许细菌消耗其他碳源获取能量，从而在葡萄糖(它们首选的碳源)稀缺时帮助细菌生存，它涉及数百个其他基因的上调或下调。

这项研究非常新颖和令人兴奋，因为它显示了微生物可以轻松进化成为共生体。

研究人员还不确定为什么这些突变对大肠杆菌有益，但一种假设是它们可能会减轻细菌对肠隐窝环境的适应。

Fukatsu说，在臭虫的隐窝内，细菌可能无法获得足够的葡萄糖。通常情况下，大肠杆菌可能会尝试打开CCR途径，但在臭虫体内没有其他碳源可供它们利用。

“因此，”Fukatsu说，“细菌可能会徒劳地反复转换它们的新陈代谢，这对细菌来说肯定是一个沉重的代谢成本。通过使CCR通路失活来消除这种代谢成本可能对细菌有益，最终对宿主也有益。”

Fukatsu说，避免这种代谢成本可能会导致细菌更有效地生产宿主必需的营养物质，或者可能只是让更多的细菌在宿主体内存活，最终导致臭虫所需的营养物质数量增加。

虽然在这项研究中大肠杆菌向昆虫共生者的转变似乎是由CCR通路介导的，但Fukatsu认为CCR突变只是导致共生的众多途径之一。他说，实验室目前正在进行的实验已经产生了许多大肠杆菌菌株，它们对臭虫的有益作用似乎与CCR途径无关。

“有太多的基因有助于系统中共生关系的建立和维持，”他说。“我们现在正在寻找这些其他共生基因。...阐明所有途径将使我们对共生机制有更完整、更全面的了解。”

Ravenscraft说，这是一个非常重要的研究领域。“我们开始意识到，动植物的生物学在很大程度上取决于微生物伙伴。...研究互利共生如何进化将帮助我们了解细菌如何为我们以及我们赖以生存的动植物提供重要功能。”