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昆虫是生态系统功能的重要贡献者，与大多数生物体一样，它们与微生物的共同进化对于支持这些功能至关重要。虽然许多昆虫因其在任何地方漫游而肆虐而臭名昭着，但成千上万的物种悄悄地开展业务，利用其微生物组的创新生物化学为健康的生态系统提供必要的重要服务。
美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的一项新研究显示，美国东部常见的一种有益昆虫，长角羚羊(Odontotaenius disjunctus)，有一种带有微生物的耐寒消化道，感谢转动它将木质饮食转化为能量，为年轻人提供食物，为森林生长提供营养。这些关于甲虫及其独特微生物组如何共同发展的见解为生产负担得起的，天然衍生的燃料和生物产品提供了路线图。
该论文今天刊登在“ 自然微生物学 ” 杂志上，标题为“肠道解剖特性和微生物功能组装促进木质纤维素解构和木材喂养甲虫的集落生存”。
“我们发现甲虫的肠道结构允许独特的微生物群落共存，使每个人能够执行从木材中有效提取能量所需的独特的特定代谢过程，”伯克利实验室研究科学家兼主要作者Javier Ceja-Navarro说。论文。“来自木材的能量使得甲虫能够维持自身及其后代的饮食习惯。”
食木甲虫为森林提供无价的服务
在世界各地的森林中，粗糙的木质碎片构成了大量的生物质，由于其低氮含量，因此难以分解，难以分解并且营养破坏。对于像白蚁和蜥蜴甲虫这样的昆虫，腐烂的木材是主要的膳食主食，它们从中获取能量和营养来制造细胞和组织。一只成年人通过通过经过真菌预处理的腐烂木材挖掘其1英寸的尸体，通过其进食活动加速木材分解，并使木材和碳可以进入生态系统中的其他生物。
逍遥殖民地可能有多达七个成年人，每天可以消耗木材重量的四倍以上。这种木材通过甲虫的复杂消化道，最后作为废物排出体外，礼貌地称为frass。
“我们注意到的第一件事就是含有多少氮，比甲虫消耗的木材多三倍 - 这意味着甲虫，或者实际上它的微生物正在加入氮气，”Ceja-Navarro说。“我们还注意到木质素和纤维素等植物聚合物如何消失，形成了富含醋酸等能量的产品，以及氢气，乙醇和甲烷等生物燃料。这种甲虫和它的微生物已经解决了全世界科学家的问题。急于优化 - 如何有效地将木本植物生物质转化为生物燃料和生物产品。“
但是怎么样?“我们汇集了一个专家团队，并使用先进的分子生物学工具，光谱仪和微型传感器，发现甲虫的肠道由专门的隔室组成，每个隔室都有一个独特的微生物组，几乎像工厂生产线一样，使用独特的生物化学将木材转化为食物和燃料，“伯克利实验室气候与生态系统科学部高级作者兼副主任Eoin Brodie说。
“大自然在这里提供的关键创新是结合生物化学过程的一种方式，否则这些过程是不相容的，”Brodie说。一些解构木质素的过程需要氧气，而其他过程，如提供甲虫能量来源的发酵，需要无氧环境。那么甲虫如何解决这个问题呢?
“事实证明，甲虫的肠道结构，例如肠壁的长度和厚度，已经发展到适合其微生物组，因此特定的代谢过程在不同的肠道区域受到青睐，”Ceja-Navarro说。
这允许需要氧的反应发生在肠区域中，该区域与微生物进行将被氧气抑制的反应的区域分开。该团队还证明甲虫肠道结构可防止某些产品如氢气逃逸，从而有利于醋酸盐的生产，醋酸盐不仅是甲虫本身的关键能源，也是其后代的关键能源。
蜥蜴甲虫被认为是最高度亚种的物种，这意味着它们在家庭中一起工作以保护他们的原木隧道房屋并照顾他们的年轻人进入成年期 - 这对大多数父母来说可能听起来很熟悉。因为甲虫会分泌出一种能量和营养丰富的食物，现在看来年轻人还要感谢父母的微生物。来自这些昆虫的营养丰富的产品最终会回到森林土壤中，支持生态系统的生产力 - 本研究强调了甲虫微生物组在该过程中的重要作用。
下一个是什么?虽然大自然引领潮流，但我们可以从生产线上了解甲虫如何划分生物化学，据Ceja-Navarro说，并通过模拟像甲虫肠道及其微生物组系统的特性和功能来设计生物产品来设计生物产品。
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