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近日，森林昆蟲(chóng)研究團(tuán)隊(duì)的教師、研究生和飼養(yǎng)基地通過(guò)產(chǎn)學(xué)研合作，完成了初步揭示雙叉犀金龜降解木質(zhì)纖維素的分子機(jī)制研究過(guò)程以及相關(guān)論文撰寫(xiě)，每位參與者為兩篇論文做出了重要貢獻(xiàn)。雙叉犀金龜基因組相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在GigaScience（IF=7.658），王青云博士為第一作者，黃俊浩副教授為通訊作者。腸道微生物相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Microbiology Spectrum（IF=9.043），黃俊浩副教授為第一作者，張守科博士為通訊作者。該研究主要得到了省院合作項(xiàng)目的資助。這是森林昆蟲(chóng)團(tuán)隊(duì)圍繞亞熱帶森林昆蟲(chóng)多樣性及其生態(tài)功能展開(kāi)研究的系列成果之一，團(tuán)隊(duì)將在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入開(kāi)展相關(guān)工作。

昆蟲(chóng)代表了最多樣化和最豐富的動(dòng)物分支，具有各種各樣的取食生態(tài)位。對(duì)于植食性昆蟲(chóng)，其內(nèi)源性纖維素酶通常缺乏，這些昆蟲(chóng)對(duì)纖維素的消化很大程度上得益于腸道微生物群的水平轉(zhuǎn)移和趨同進(jìn)化。甲蟲(chóng)對(duì)木質(zhì)纖維素的降解，基于共生的腸道微生物及蟲(chóng)體自身分泌的多種消化酶，包括纖維素酶、聚糖酶和糖苷酶等。

雙叉犀金龜別名獨(dú)角仙，屬于昆蟲(chóng)綱鞘翅目金龜科，是一種具有重要生態(tài)價(jià)值的食木和腐殖質(zhì)昆蟲(chóng)，在中國(guó)和周邊國(guó)家廣泛分布。在自然環(huán)境下，它的幼蟲(chóng)能有效分解難降解的木材和腐殖質(zhì)。由于這一特性，因此雙叉犀金龜?shù)挠紫x(chóng)近些年已被用來(lái)處理蘑菇種植中產(chǎn)生的廢棄基質(zhì)。

圖1 雙叉犀金龜幼蟲(chóng)消化降解木纖維. a.3齡幼蟲(chóng); b.木屑中木纖維結(jié)構(gòu); c.糞便中木纖維結(jié)構(gòu).

林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院森林昆蟲(chóng)團(tuán)隊(duì)經(jīng)三代重測(cè)序和高通量染色體構(gòu)象捕獲技術(shù)，最終得到雙叉犀金龜基因組636.27Mb，將超過(guò)95%的scaffolds精確定位到10條染色體上，預(yù)測(cè)到12,193個(gè)基因，基因集完整度近96%。進(jìn)一步的分析表明，雙叉犀金龜在進(jìn)化過(guò)程中消化能力得到了顯著增強(qiáng)，這可能是該甲蟲(chóng)能夠消化木質(zhì)纖維素的一個(gè)重要原因。此外，通過(guò)解毒功能基因家族的快速擴(kuò)張和正向選擇，雙叉犀金龜適應(yīng)環(huán)境的能力也得到了顯著增強(qiáng)，這可能是它能夠適應(yīng)不同腐殖質(zhì)環(huán)境的一個(gè)重要因素。

圖2. a.雙叉犀金龜與其他13種昆蟲(chóng)的基因家族及基因組進(jìn)化分析; b.雙叉犀金龜與赤擬谷盜染色體共線(xiàn)性分析.

動(dòng)物及其腸道微生物的協(xié)同進(jìn)化促進(jìn)了動(dòng)物向各種生境的輻射，在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中，它們相互合作、相互作用，最終形成親密的共生關(guān)系。腸道微生物的群落結(jié)構(gòu)與代謝活性受宿主動(dòng)物腸道微環(huán)境的影響，同時(shí)，腸道微生物對(duì)宿主的食物攝取和營(yíng)養(yǎng)消化發(fā)揮了關(guān)鍵作用。當(dāng)嚴(yán)重依賴(lài)于與腸道微生物的這種協(xié)同進(jìn)化時(shí)，動(dòng)物發(fā)生會(huì)發(fā)生明顯的取食特化，形成顯著的趨同進(jìn)化現(xiàn)象，并促使動(dòng)物適應(yīng)各種取食生態(tài)位。研究發(fā)現(xiàn)，雙叉犀金龜幼蟲(chóng)腸道消化功能基因存在顯著的差異表達(dá)，同時(shí)不同取食環(huán)境和中后腸的腸道微生物功能的也存在一定的差異，但中腸消化酶和微生物都表現(xiàn)出更強(qiáng)大的功能。

圖3. 雙叉犀金龜腸道微生物群落結(jié)構(gòu)特征

在此基礎(chǔ)上，課題組還分離篩選得到31個(gè)具有纖維素降解功能的菌株。采用其中13個(gè)功能更強(qiáng)的菌株，人工構(gòu)建了混合菌系，發(fā)現(xiàn)其中腸桿菌屬菌株AZA_4_5和自然菌系對(duì)竹纖維的表現(xiàn)出更高的降解效率。這些研究結(jié)果為后續(xù)繼續(xù)深入研究雙叉犀金龜對(duì)木質(zhì)纖維素的降解機(jī)制，以及最大化功能菌群的纖維素降解能力奠定了基礎(chǔ)。

圖4. 雙叉犀金龜腸道纖維素降解菌的篩選和功能驗(yàn)證

原文信息：

Qingyun Wang, Liwei Liu, Sujiong Zhang, Hong Wu, Junhao Huang* (2022) A chromosome-level genome assembly and intestinal transcriptome ofTrypoxylus dichotomus(Coleoptera: Scarabaeidae) to understand its lignocellulose digestion ability. GigaScience 11, 1–16, https://doi.org/10.1093/gigascience/giac059

Junhao Huang*, Linyao Weng, Xinqi Zhang, Kui Long, Xiaojiao An, Jinliang Bao, Hong Wu, Xudong Zhou, Shouke Zhang* (2022) Trypoxylus dichotomus gut bacteria provides an effective system for bamboo lignocellulose degradation. Microbiology Spectrum, https://doi.org/spectrum.02147-22

（林生院 龍奎）