中国农业大学副院长入选国家级人才计划、在顶级期刊(IF=16.6)发表研究成果,从共生到趋同,揭示微生物如何助力昆虫从吃素变“猎手”

近日，中国农业大学植物保护学院彩万志教授与李虎教授领衔的研究团队在国际微生物学权威期刊《Microbiome》上发表了一项重要研究成果，题为《Gut microbiome convergence and functional adaptation underlie the evolution of predation in stink bugs (Heteroptera: Pentatomidae)》。该研究深入揭示了肠道微生物在蝽类昆虫从植食性向捕食性演化过程中所扮演的关键角色，不仅阐明了菌群如何助力宿主完成食性转变，还首次发现不同谱系的捕食性蝽类在肠道微生物组成上呈现出显著的趋同演化现象。

昆虫作为地球上物种最为丰富的动物类群，其食性在漫长的演化历程中经历了多次复杂转变，这些转变深刻影响了它们的生态适应能力以及与人类社会的互动方式。长期以来，科学界已认识到肠道菌群与昆虫食性之间存在紧密联系：一方面，食物类型能够塑造宿主的菌群结构；另一方面，菌群也能反哺宿主，协助其消化利用多样化的营养资源。然而，在昆虫食性反复转换的背景下，肠道微生物的演化轨迹及其功能机制仍缺乏系统解析。

本研究聚焦于异翅亚目中的蝽科（Pentatomidae），其演化历史尤为典型——祖先为捕食性，后在蝽次目中演化出植食性，并在此过程中发展出中肠后部特化的隐窝结构，用以容纳一种专性的Gamma变形菌门共生菌。令人惊讶的是，在蝽科内部的多个亚科中，捕食习性又独立地多次“回转”恢复。研究团队以其中具有代表性的益蝽亚科为对象，通过比较其与近缘植食性蝽类及保留祖先捕食习性的猎蝽科物种的肠道微生物组成，发现随着食性由植食向捕食的转变，益蝽亚科不仅丢失了植食性蝽类特有的Gamma共生菌，也退化了相应的中肠隐窝结构，其整体菌群特征反而趋近于猎蝽科，展现出跨谱系的功能性趋同。

为进一步验证这一现象背后的机制，研究团队整合了宏基因组测序、单菌基因组重建以及体内外功能实验等多种技术手段。结果表明，尽管捕食性蝽类所摄取的食物本身营养更为丰富，其肠道菌群依然发挥着不可替代的作用：一方面协助降解猎物体表的几丁质等难消化成分，提升营养获取效率；另一方面增强宿主对食物及环境中潜在病原微生物的防御能力。这些功能协同作用，有效支撑了宿主成功实现食性转变。

这项研究进一步指出，正如基因组水平的进化分析所揭示的那样——在相似性状的演化过程中，不同生物常采用趋同的分子机制——肠道微生物群落在协助昆虫适应新食性时，同样表现出高度的功能趋同。这一发现不仅深化了我们对“昆虫—微生物”共生系统协同演化的理解，也为探索生物多样性形成的微观机制提供了全新视角。更重要的是，研究结果为未来通过调控肠道菌群来提升天敌昆虫的生物防治效能奠定了坚实的理论基础。

论文第一作者为已毕业的中国农业大学博士生孙婧婧（现任职于新疆维吾尔自治区农业科学院植物保护研究所，任助理研究员），共同通讯作者为中国农业大学昆虫多样性与基因组学创新团队的张雪讲师和李虎教授。此外，孟宇杰、陈卓、赵天佑、杨成凤、陈苏怡、王家仪、田里、宋凡、段元格及彩万志等多位师生共同参与了该项工作。华中农业大学徐乐天教授为研究提供了关键的实验材料与技术支持。