2021-05-08
期刊：《mSystems》
影响因子：6.633
最近，派森诺生物与中国林业科学研究院亚热带林业研究所合作，在《mSystems》上发表科研成果，对茶籽象鼻虫的肠道菌群进行了研究。研究发现以茶花种子为食的茶籽象鼻虫肠道菌群受植物次生代谢产物的影响，且含有丰富的茶皂素降解基因，多种微生物共生体更是以茶皂素作为碳源和氮源，从而介导了茶皂素的降解。这一结果有助于从微生物组的角度，为阐明树木化学物质防御机制提供新的研究思路。
研究背景
植物对于草食动物的防御主要是通过物理形态防御（如韧性、乳胶、毛状体、表面蜡质等）和化学物质防御（如生物碱、萜类、心甾醇内酯、硫代葡萄糖苷和草酸盐等）共同完成的，同时草食动物也会进化出相对应的“进攻”策略。山茶属植物是具有重要经济价值和营养价值的多年生作物，山茶树在亚洲、非洲和拉丁美洲等34个国家被广泛种植。目前已有超过1000种节肢动物将山茶植物作为食物资源加以利用，但由于山茶种子中含有丰富的皂苷和咖啡因、茶氨酸、儿茶素等生物活性物质，很少有物种能以山茶种子为食。
然而，茶籽象鼻虫却可以在种子中取食并完成幼虫阶段的发育。茶籽象鼻虫幼虫以各种茶花植物为食，这表明茶籽象鼻虫有能力抵抗山茶树释放化学物质的毒力作用。一般而言，草食动物进化出了不同的机制来规避植物防御系统的毒力作用，其中昆虫用来分解食物毒素的策略之一就是依赖于体内共生的微生物组。有研究表明，草食昆虫的肠道微生物组是降解植物化学物质毒力的重要媒介，但是关于茶籽象鼻虫共生菌群的研究资料还很匮乏，其是否参与化解茶花种子中有毒化合物还不明确。
研究方法
1. 探究植物次生代谢物及其浓度对茶籽象鼻虫幼虫肠道微生物群落的影响。
测序平台：Illumina MiSeq PE250；
测序模式：微生物组16S rRNA基因V3-V4区；
研究设计：共计205例样本，分为6组，分别为对照组、茶皂素处理组、茶氨酸处理组、单宁酸处理组、EGCG处理组和咖啡因处理组，同时每组设置不同浓度梯度。
2. 探究不同茶树种子宿主对茶籽象鼻虫幼虫肠道微生物群落的影响。
测序平台：Illumina MiSeq PE250；
测序模式：微生物组16S rRNA基因V3-V4区；
研究设计：共计18例样本，分为3组，分别为油茶种子组、野茶种子组和红花油茶种子组。
研究结果
在5种植物次生代谢产物作用下，茶籽象鼻虫幼虫肠道菌群OTU数量和优势菌种类发生了变化。在茶皂素和茶氨酸处理组中，Bacillus、Gammaproteobacteria和Betaproteobacteria占优势；而在EGCG和咖啡因处理组中，以Bacillus和Gammaproteobacteria为主。茶皂素处理组中，茶籽象鼻虫幼虫肠道菌群组成在不同浓度处理下出现了显著的梯度变化。Alpha多样性分析发现，茶皂素处理组的Shannon指数是最低的，和其他处理组之间具有显著差异。PCoA分析发现，茶皂素组样本在第一个坐标轴上的偏移幅度较大，表明化学物质和化学物质浓度是影响肠道菌群的主要因素。
为了检测茶皂素含量是否会影响幼虫的发育进程，本研究对三种茶树种子中幼虫的发育进行了监测。结果表明，在幼虫发育到以蛹期幼虫的型态退出果实前，油茶种子中的茶籽象鼻虫幼虫体重与其他两种茶树种子中幼虫的体重相比，具有显著的差异，发育速度要快得多。
多样性组成谱测序分析表明，寄生在不同茶树种子中的茶籽象鼻虫幼虫肠道菌群组成可归属于35个细菌门，其中相对丰度最高的3个门分别是变形菌门(82.67%)、厚壁菌门(9.127%)和拟杆菌门(5.51%)，占总相对丰度的97.30%。以不同茶树种子为食的幼虫拥有一个共同的核心微生物群，但也含有独特的微生物组，菌群组成多样性之间具有显著的差异性。
聚类热图分析发现23个OTUs在中高浓度的茶皂素处理组中显著富集，Phenylobacterium、Amycolatopsis、Sediminibacterium和Ochrobactrum是降解茶皂苷的优势菌群，与Erwinia、Ochrobactrum、Lactococcus spp之间存在相互抑制关系。随着茶皂素浓度的增加，Micrococcus、Bacillus、Lactococcus和Cupriavidus的丰度均增加，而Erwinia、Serratia、Enterobacter、Proteus、Citrobacter和Salmonella丰度降低。功能预测分析发现，随着茶皂素浓度的增加，茶皂素相关代谢途径发生变化（异生物降解和代谢、核苷酸代谢、萜类和聚酮类代谢、氨基酸代谢、脂类代谢、碳水化合物代谢、其他次级代谢产物的生物合成和氨基酸代谢），然而辅助因子、维生素和聚糖的生物合成代谢途径被抑制。
研究进一步使用曼哈顿图来展示OTU数量和物种组成的差异，从而确定介导茶皂苷降解的核心微生物。在茶皂素处理组中共筛选出OTUs共209个，其中9个OTUs显著富集，分别为沙雷氏菌、乳球菌、气单胞菌和不动杆菌。
研究结论
肠道菌群在昆虫-植物互作中发挥重要作用。本研究以山茶属植物果实和茶籽象鼻虫作为研究对象，探讨茶皂素等有毒的植物次生代谢产物对专食性昆虫发育和适应关系的影响。研究结果表明茶果中茶皂素含量对回接的茶果象鼻虫的生长发育产生显著负面影响，茶果象鼻虫肠道菌群明显被寄主植物塑形。同时通过体外培养的方式证实肠道菌群对茶皂素具有显著的降解能力。研究结果为深入理解专食性昆虫寄主抗性适应机制提供了新的信息。
