昆蟲是生態(tài)系統(tǒng)功能的重要貢獻者，與大多數(shù)生物體一樣，它們與微生物的共同進化對于支持這些功能至關(guān)重要。雖然許多昆蟲因其在任何地方漫游而肆虐而臭名昭著，但成千上萬的物種悄悄地開展業(yè)務，利用其微生物組的創(chuàng)新生物化學為健康的生態(tài)系統(tǒng)提供必要的重要服務。
美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)的一項新研究顯示，美國東部常見的一種有益昆蟲，長角羚羊(Odontotaenius disjunctus)，有一種帶有微生物的耐寒消化道，感謝轉(zhuǎn)動它將木質(zhì)飲食轉(zhuǎn)化為能量，為年輕人提供食物，為森林生長提供營養(yǎng)。這些關(guān)于甲蟲及其獨特微生物組如何共同發(fā)展的見解為生產(chǎn)負擔得起的，天然衍生的燃料和生物產(chǎn)品提供了路線圖。
該論文今天發(fā)表在“自然微生物學”雜志上，標題為“腸道解剖特性和微生物功能組裝促進木質(zhì)纖維素解構(gòu)和木材喂養(yǎng)甲蟲的集落生存”。
“我們發(fā)現(xiàn)甲蟲的腸道結(jié)構(gòu)允許獨特的微生物群落共存，使每個人能夠執(zhí)行從木材中有效提取能量所需的獨特的特定代謝過程，”伯克利實驗室研究科學家兼主要作者Javier Ceja-Navarro說。論文。“來自木材的能量使得甲蟲能夠維持自身及其后代的飲食習慣。”
食木甲蟲為森林提供無價的服務
在世界各地的森林中，粗糙的木質(zhì)碎片構(gòu)成了大量的生物質(zhì)，由于其低氮含量，因此難以分解，難以分解并且營養(yǎng)破壞。對于像白蟻和蜥蜴甲蟲這樣的昆蟲，腐爛的木材是主要的膳食主食，它們從中獲取能量和營養(yǎng)來制造細胞和組織。一只成年人通過通過經(jīng)過真菌預處理的腐爛木材挖掘其1英寸的尸體，通過其進食活動加速木材分解，并使木材和碳可以進入生態(tài)系統(tǒng)中的其他生物。
逍遙殖民地可能有多達七個成年人，每天可以消耗木材重量的四倍以上。這種木材通過甲蟲的復雜消化道，最后作為廢物排出體外，禮貌地稱為frass。
“我們注意到的第一件事就是含有多少氮，比甲蟲消耗的木材多三倍 - 這意味著甲蟲，或者實際上它的微生物正在加入氮，”Ceja-Navarro說。“我們還注意到木質(zhì)素和纖維素等植物聚合物如何消失，形成了富含醋酸等能量的產(chǎn)品，以及氫氣，乙醇和甲烷等生物燃料。這種甲蟲和它的微生物已經(jīng)解決了全世界科學家的問題。急于優(yōu)化 - 如何有效地將木本植物生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物燃料和生物產(chǎn)品。“
但是怎么樣?“我們匯集了一個專家團隊，并使用先進的分子生物學工具，光譜儀和微型傳感器，發(fā)現(xiàn)甲蟲的腸道由專門的隔室組成，每個隔室都有一個獨特的微生物組，幾乎像工廠生產(chǎn)線一樣，使用獨特的生物化學將木材轉(zhuǎn)化為食物和燃料，“伯克利實驗室氣候與生態(tài)系統(tǒng)科學部高級作者兼副主任Eoin Brodie說。
“大自然在這里提供的關(guān)鍵創(chuàng)新是結(jié)合生物化學過程的一種方式，否則這些過程是不相容的，”Brodie說。一些解構(gòu)木質(zhì)素的過程需要氧氣，而其他過程，如提供甲蟲能量來源的發(fā)酵，需要無氧環(huán)境。那么甲蟲如何解決這個問題呢?
“事實證明，甲蟲的腸道結(jié)構(gòu)，例如腸壁的長度和厚度，已經(jīng)發(fā)展到適合其微生物組，因此特定的代謝過程在不同的腸道區(qū)域受到青睞，”Ceja-Navarro說。
這允許需要氧的反應發(fā)生在腸區(qū)域中，該區(qū)域與微生物進行將被氧氣抑制的反應的區(qū)域分開。該團隊還證明甲蟲腸道結(jié)構(gòu)可防止某些產(chǎn)品如氫氣逃逸，從而有利于醋酸鹽的生產(chǎn)，醋酸鹽不僅是甲蟲本身的關(guān)鍵能源，也是其后代的關(guān)鍵能源。
蜥蜴甲蟲被認為是最高度亞種的物種，這意味著它們在家庭中一起工作以保護他們的原木隧道房屋并照顧他們的年輕人進入成年期 - 這對大多數(shù)父母來說可能聽起來很熟悉。因為甲蟲會分泌出一種能量和營養(yǎng)豐富的食物，現(xiàn)在看來年輕人還要感謝父母的微生物。來自這些昆蟲的營養(yǎng)豐富的產(chǎn)品最終會回到森林土壤中，支持生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力 - 本研究強調(diào)了甲蟲微生物組在該過程中的重要作用。
下一個是什么?雖然大自然引領(lǐng)潮流，但我們可以從生產(chǎn)線上了解甲蟲如何劃分生物化學，據(jù)Ceja-Navarro說，并通過模擬像甲蟲腸道及其微生物組系統(tǒng)的特性和功能來設(shè)計生物產(chǎn)品來設(shè)計生物產(chǎn)品。