昆蟲腸道微生物及其功能研究方法進展

馬 玲, 曹靖瑜, 白建洋, 徐 喆, 李 璐, 張 月, 閔夢茹

(東北林業(yè)大學林學院, 哈爾濱 150006)

昆蟲是地球上種類最為豐富、數(shù)量最為巨大的節(jié)肢動物類群,對人類生產(chǎn)生活有著深遠影響(Bassetetal., 2012)。與所有動物類群相似,昆蟲體內(nèi)也棲息著種類各異的微生物,包括細菌、病毒、真菌和原生生物(王四寶和曲爽, 2017)。腸道微生物指棲息在宿主昆蟲腸道內(nèi)所有微生物群落的總稱(Rangbergetal., 2012),對宿主昆蟲的營養(yǎng)代謝、生理行為、防御解毒等諸多方面產(chǎn)生重要影響(Ankrahetal., 2017; Chengetal., 2017; Zhengetal., 2019)。

近年來,昆蟲腸道微生物研究逐漸成為人們關注的熱點領域。盡管絕大部分腸道微生物仍無法人工分離而培養(yǎng)(Dillon and Dillon, 2004),但隨培養(yǎng)方法改進與多種組學技術聯(lián)合分析的運用,難以人工培養(yǎng)的微生物也被更多發(fā)現(xiàn)與研究。運用腸道微生物來防治農(nóng)林害蟲、促進資源利用與有害物質(zhì)降解呈現(xiàn)出廣闊應用前景。本文將簡述昆蟲腸道微生物多樣性及影響因素、功能應用與傳播機制、分離鑒定與研究方法以及無菌昆蟲的獲得加以總結(jié),以期為腸道微生物理論與應用研究提供參考。

1 昆蟲腸道微生物多樣性及影響因素

不同種類昆蟲腸道結(jié)構、腸道內(nèi)環(huán)境不同,腸道微生物數(shù)量與種類也存在差異(Cazemieretal., 1997; Colmanetal., 2012)。具有簡單、直消化道的昆蟲可能擁有微生物群較有復雜消化道結(jié)構如盲腸、憩室等的昆蟲少(Engel and Moran, 2013)。大多細菌生長最適pH值為6～7,而大部分鱗翅目與雙翅目中腸pH值為8～10,一些雙翅目幼蟲中腸pH值為3,導致不同目昆蟲主要腸道微生物種類不同(Clark, 1999)。

昆蟲腸道內(nèi)棲息的微生物大多來自食物與外界環(huán)境,不同昆蟲個體的腸道微生物受昆蟲食性、齡期以及外界環(huán)境等因素影響而處于動態(tài)變化中(李丹紅等, 2017),但主要都屬于厚壁菌門(Firmicutes)與變形菌門(Proteobacteria)(Colmanetal., 2012)。以油菜為食的草地貪夜蛾Spodopterafrugiperda菌群豐度顯著高于以野生燕麥為食的個體(Lvetal., 2021);家蠶Bombyxmori在發(fā)育早期優(yōu)勢菌屬為假單胞菌屬Pseudomonas,但在發(fā)育后期該菌屬豐度顯著下降(Chenetal., 2018);病毒侵染后,甜菜夜蛾Spodopteraexigua腸道內(nèi)的微生物載量會呈現(xiàn)上升趨勢(Martínez-Solísetal., 2020)。26～37 ℃變溫處理埃及伊蚊Aedesaegypti后,其體內(nèi)的沃爾巴克氏體Wolbachia無法再正常傳代(Rossetal., 2017)。

表1 不同目昆蟲的主要腸道微生物組成Table 1 Composition of main gut microbes of different insects

在沒有外界環(huán)境干擾情況下,腸道微生物會處于相對健康與穩(wěn)定的狀態(tài),但若外界病原物侵染導致宿主腸道菌群失衡,正常存在的共生菌也將轉(zhuǎn)變?yōu)椴≡?。例?斯氏按蚊Anophelesstephensi受球孢白僵菌Beauveriabassiana侵染后沙雷氏菌Serratia載量升高,隨著感染過程持續(xù)沙雷氏菌Serratia轉(zhuǎn)移至血淋巴,導致宿主死亡速度加快(Weietal., 2017)。煙草天蛾Manducasexta感染蘇云金芽孢桿菌Bacillusthuringiensis后,其體內(nèi)共生菌糞腸球菌Enterococcusfaecalis將協(xié)同蘇云金芽孢桿菌B.thuringiensis引發(fā)宿主快速死亡(Masonetal., 2011)。球孢白僵菌入侵紅脂大小蠹Dendroctonusvalens導致其腸道菌歐文氏菌Erwinia豐度上升,打破腸道菌群間平衡加速宿主昆蟲的死亡(Xuetal., 2019)。

2 昆蟲腸道微生物的功能

腸道微生物多樣化對宿主有不同作用。一方面,腸道微生物具有提高宿主食物利用率、合成所需營養(yǎng)物質(zhì)等重要作用。蜜蜂消化系統(tǒng)中的雙歧桿菌Bifidobacterium和吉利安氏菌Gilliamella可以協(xié)助宿主代謝花粉中的半纖維素和果膠(Zhengetal., 2019)。斜紋夜蛾Spodopteralitura腸道中腸球菌Enterococcus與假單孢菌Pseudomonas在宿主降解聚合物方面發(fā)揮作用(Xiaetal., 2020)。另一方面,腸道微生物與外界環(huán)境、宿主昆蟲間的相互作用也在多方面展示腸道微生物對宿主行為的影響。比如,桔小實蠅Bactroceradorsalis將共生菌普羅菲登斯菌Providencia和克雷伯氏菌Klebsiella涂抹到蠅卵表面,促進寄主果實生成β-石竹烯,從而間接影響實蠅成蟲對產(chǎn)卵地的選擇(Lietal., 2020);沙漠蝗Schistocercagregaria的共生菌成團泛生菌Pantoeaagglomerans在糞便中產(chǎn)生揮發(fā)性酚類物質(zhì),以此引發(fā)蝗蟲的集群活動(Dillonetal., 2002)。此外,昆蟲腸道微生物還在一定程度上賦予了宿主對殺蟲劑的耐藥性。比如點蜂緣蝽Riptortuspedestris隱窩中的伯克氏菌Burkholderia可幫助宿主降解殺螟硫磷(fenitrothion, MEP)并讓宿主獲得對MEP的抗性(Itohetal., 2018);腸道微生物還能協(xié)助抵御包括病原體在內(nèi)的非本地菌群的定殖,從而防止宿主腸內(nèi)感染。像無菌茶長卷蛾Homonamagnanima支持蘇云金芽孢桿菌生長量為正常種群的20 倍,宿主正常腸道微生物的存在可幫助昆蟲抑制病原菌生長(Takatsuka and Kunimi, 2000)。不同昆蟲腸道微生物各有不同,從而導致不同菌群的昆蟲對殺蟲劑及病原菌抗性各異,與腸道菌群稀少的昆蟲相比,菌群龐大的昆蟲更有可能形成抗性(Siddiquietal., 2022)。

3 昆蟲腸道微生物傳播機制

社會性昆蟲蜜蜂出房后與成年蜜蜂通過棲息地或媒介生物進行菌群水平傳播(Martinsonetal., 2012; 鄭林宇等, 2022)。再如桔小實蠅共生菌CitrobacterfreundiiBD(CF-BD)在幼蟲與成蟲時期通過唾液、食物、排泄物等途徑進行水平傳播(Guoetal., 2017);而其產(chǎn)卵時成蟲可將共生菌CF-BD附著于卵表面,垂直方向?qū)⒐采鷤鞑ソo新孵幼蟲。通過序列分析比對,斜紋夜蛾S.litura腸道有益共生菌蒙氏腸球菌Enterococcusmundtii很可能通過卵進行垂直傳播(Shaoetal., 2017)。研究表明,約65%昆蟲都含有的內(nèi)共生菌沃爾巴克氏體主要通過卵進行垂直傳播(張治軍等, 2021)。此外,昆蟲發(fā)育過程中會經(jīng)歷多次蛻變,每次蛻皮圍食膜上的微生物群落都會大部分喪失,但特殊結(jié)構例如隱窩的存在,為腸道微生物定殖提供了相對穩(wěn)定的環(huán)境從而促進微生物留存(Dillon and Dillon, 2004)。

4 昆蟲腸道微生物的分離鑒定和功能研究方法

4.1 昆蟲腸道微生物的分離鑒定方法

腸道微生物研究初期采取傳統(tǒng)分離培養(yǎng)的方法,但存在大量微生物難以人工培養(yǎng)、培養(yǎng)過程中菌株有可能富集或衰減的問題(Dillon and Dillon, 2004)。近年,通過改進傳統(tǒng)培養(yǎng)技術發(fā)展出培養(yǎng)組學——通過利用多種培養(yǎng)條件,以高通量培養(yǎng)的方式培養(yǎng)細菌使得越來越多微生物被分離出來。鑒定分離出微生物的具體種,傳統(tǒng)方法如形態(tài)學分析、革蘭氏染色及生理生化反應等鑒定步驟繁瑣,耗時較長,具有一定局限性(閆雯倩等, 2022)。而基于蛋白質(zhì)檢測的基質(zhì)輔助激光解析電離飛行時間質(zhì)譜(matrix-assisted laser desorption ionization and time of flight mass spectrometry, MALDI-TOF MS)可以一定程度上彌補傳統(tǒng)鑒定方法的空缺。Tandina等(2016)將培養(yǎng)組學與MALDI-TOF聯(lián)用,鑒定出了新共生菌——春岡乳球菌Lactococcuschungangensis。傳統(tǒng)鑒定方法與新技術的結(jié)合不僅提高了鑒定準確度,效率也得到了大大的提升,MALDI-TOF MS還可通過與傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectrometer, FTIR)聯(lián)用增加了細菌鑒定的廣度與準確度(閆雯倩等, 2022)。隨著分子生物學發(fā)展,微生物檢測深入到了分子水平,其中便包括核酸雜交技術、核酸擴增技術、脫氧核糖核酸(DNA)指紋圖譜技術、基因芯片技術及高通量測序技術等,難以人工培養(yǎng)微生物的檢測也更為便捷。通過二代測序技術檢測細菌16S rRNA基因并對可操作分類單元(operational taxonomic units, OTUs)注釋結(jié)果分析,可在門、綱、目、科、屬、種水平上進一步分析菌群多樣性與豐富度(徐昭煥等,2022)。對桑粒肩天牛Aprionagermari腸道細菌進行分子生物學分析,使得季節(jié)因素對天牛腸道菌群結(jié)構的影響更為清晰(楊云秋等, 2018)。技術的發(fā)展提供給我們更多菌群信息,但基于核苷酸的方法仍然存在一定局限性與偏差,像是從不同細菌中提取核苷酸的容易程度就存在差異,最終結(jié)果可能與實際情況存在一定偏差(Headetal., 1998)。

4.2 昆蟲腸道微生物功能主要研究方法

隨著多種組學技術的發(fā)展,研究中常將宏基因組學、蛋白質(zhì)組學、代謝組學等多種技術聯(lián)合運用,發(fā)揮各組學最大優(yōu)點,使得微生物檢測鑒定以及功能推測更為高效、有力。其中,宏基因組學是所有微生物基因組總和,通過基因篩選與測序來分析昆蟲腸道菌群的多樣性、結(jié)構、功能以及進化關系、協(xié)作關系等(曹樂和寧康, 2018),其兩大關鍵技術——高通量測序技術與基因芯片技術互補,芯片技術可以解決測序技術深度不足與定量差的缺陷,高通量測序技術克服芯片不易發(fā)現(xiàn)新基因的弊端(楊云秋等, 2018),利用該技術研究黑胸散白蟻Reticulitermeschinensis腸道菌群發(fā)現(xiàn)其腸道菌中含有許多β-葡萄糖苷酶的基因,證實宿主腸道菌群具有高代謝活性(胡紫媛和夏嬙, 2021);蜜蜂宏基因組發(fā)現(xiàn)腸道菌Gilliamellaapicola具有果膠降解酶基因,可幫助宿主打破堅硬的花粉粒多糖壁從而釋放單糖(Zhengetal., 2016);蛋白質(zhì)組學通過比較不同生理條件下蛋白的表達,從而進行蛋白質(zhì)的分類鑒定以及蛋白間相互作用與功能的研究(Domon and Aebersold, 2006)。利用蛋白組學技術分析,Jing等(2020)發(fā)現(xiàn)楊干象甲Cryptorhynchuslapathi腸道菌群擁有合成氨基酸和消化蛋白質(zhì)等功能;代謝組學通過研究菌群代謝物質(zhì)的數(shù)量、種類及變化規(guī)律(Tokarzetal., 2017),為代謝通路與代謝物含量變化提供關鍵信息(曹樂和寧康, 2018)。通過代謝組學技術,發(fā)現(xiàn)蜜蜂腸道微生物可在宿主降解植物次生代謝物質(zhì)及消化花粉外壁中發(fā)揮關鍵作用(Ke?nerováetal., 2017; Tokarzetal., 2017)。多種組學技術手段的聯(lián)合使用使得越來越多未曾獲得人工培養(yǎng)微生物得以發(fā)現(xiàn)(朱永官等, 2015)。但對于微生物具體功能驗證,仍需進行一系列微生物定向去除與回接試驗(王爭艷等, 2020)。驗證微生物具體功能常用方法有體外試驗、微生物補充、菌群移殖、沉默微生物成員相關基因等(Chengetal., 2017; Mottaetal., 2018; Gaoetal., 2021),不同功能研究方法非獨立存在,實際應用中多種方法相互穿插使用。

體外試驗通過在宿主體外培養(yǎng)微生物并測定其生理生化特性,從而推測在宿主體內(nèi)該微生物具有的功能,在使用中常與液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術結(jié)合。將CF-BD添加到富含敵百蟲的BHI瓊脂培養(yǎng)基中,發(fā)現(xiàn)CF-BD在培養(yǎng)基上的生長速率和菌圈直徑?jīng)]有差異,表明該菌可能對敵百蟲耐受、更可能具有降解敵百蟲的能力。結(jié)合HPLC-MS分析發(fā)現(xiàn)不含CF-BD的富敵百蟲培養(yǎng)基純化出的濾液敵百蟲含量高,敵百蟲未被降解,而含CF-BD的富敵百蟲培養(yǎng)基中的敵百蟲被降解為毒性遠低于敵百蟲的水合氯醛和亞磷酸二甲酯,證明桔小實蠅B.dorsalis體外共生菌CF-BD通過將有機磷類殺蟲劑敵百蟲轉(zhuǎn)化為毒性較低的物質(zhì),從而降低敵百蟲對桔小實蠅的毒性(Chengetal., 2017);Ozdal和Algur(2022)通過高效液相色譜法(high performance liquid chromatography, HPLC)分析發(fā)現(xiàn)辛德勒不動桿菌Acinetobacterschindler菌液可降解約70%的α-硫丹與α-氯氰菊酯。體外試驗探究微生物功能,有助于分析體內(nèi)環(huán)境下微生物功能分析。

通過飼喂、注射等手段將特定微生物補充到宿主體內(nèi),比較回接前后宿主生理變化來判斷該菌與宿主間關系從而判斷微生物具體功能:煙草天蛾體內(nèi)共生菌糞腸球菌E.faecalis注射到無菌煙草天蛾血腔后,該菌將轉(zhuǎn)變?yōu)椴≡l(fā)血細胞聚集現(xiàn)象,誘導家蠶先天免疫反應。經(jīng)蘇云金桿菌毒素處理導致宿主腸道穿孔后飼喂無菌家蠶糞腸球菌E.faecalis,將引發(fā)宿主如敗血癥后快速死亡(Masonetal., 2011);在熱壓處理后無菌食物中添加菌株飼喂黑腹果蠅Drosophilamelanogaster,發(fā)現(xiàn)雄性黑腹果蠅間的攻擊行為較無菌雄性黑腹果蠅有明顯提升,同時發(fā)現(xiàn)共生微生物促進宿主果蠅的攻擊行為在營養(yǎng)匱乏的情況下無法實現(xiàn),表明發(fā)育早期營養(yǎng)信號與共生微生物協(xié)同促進成年黑腹果蠅的攻擊行為(Jiaetal., 2021);阿爾維斯諾德格拉斯菌Snodgrassellaalvi可在蜜蜂腸壁形成生物膜,作為抵抗外來病菌入侵的機械屏障。令無菌蜜蜂取食正常蜂的腸勻漿從而將正常蜂腸道菌群移植到無菌蜂腸道內(nèi),發(fā)現(xiàn)草甘膦處理將干擾正常菌群定殖并改變蜜蜂腸道內(nèi)有益共生菌阿爾維斯諾德格拉斯菌S.alvi豐度,從而降低腸道微生物對條件病原菌的抵抗作用(Mottaetal., 2018)。

利用分子生物學及遺傳改造等技術手段對共生菌進行改造,可有力地驗證并展示菌株的功能活性與關鍵基因。Gao等(2021)使用RNAi技術沉默Toll通路相關基因Rel2,發(fā)現(xiàn)Sm-YN3通過激活寄主昆蟲Toll通路從而抑制瘧原蟲Plasmodiumvivax生長;敲除菌株Su-YN1合成Amlip蛋白的相關基因,發(fā)現(xiàn)該菌株對瘧原蟲抑制率顯著下降,從而證實該菌株通過合成Amlip從而抑制瘧原蟲傳播。

共生菌體外生化測定能一定程度上幫助我們探究微生物功能,但菌株在體外試驗中具有的生理功能在宿主體內(nèi)不一定存在,因此仍需進行體內(nèi)功能驗證(王爭艷等, 2020)。深入探究、驗證菌群特定功能不僅能夠加深對多物種種間相互作用的理解,對于解析腸道微生物在宿主與外源脅迫中發(fā)揮的功能至關重要,昆蟲腸道微生物也可作為特殊助劑協(xié)助害蟲管理。常用的幾種微生物體內(nèi)功能驗證方法相輔相成,其共同基礎就是無菌昆蟲模型構建,但合理高效的無菌模型構建還有目前眾多難以克服的問題。

5 無菌昆蟲的獲得

無菌昆蟲模型的構建主要通過高溫處理、溶菌酶處理、無菌飼養(yǎng)處理及抗生素處理等方式清除腸道內(nèi)的微生物群落實現(xiàn)。研究表明,在褐飛虱Nilaparvatalugens卵期,35 ℃處理72 h后可顯著降低其共生菌數(shù)量(傅強等, 2001)。但高溫法局限性較大,只適用于耐高溫宿主。溶菌酶可成功去除美洲大蠊Periplanetaamericana共生菌Sulciamuelleri,但該菌去除后將導致其宿主組織發(fā)炎并干擾雌成蟲的卵巢發(fā)育(Douglas, 1989)。除了垂直傳播方向的共生菌,大多昆蟲卵內(nèi)無菌,孵化后通過自相殘殺、交哺食糞、攝取卵殼等獲得腸道菌群(Tayloretal., 2014; Salcedo-Porrasetal., 2020)。全變態(tài)昆蟲也幾乎在無菌狀態(tài)化蛹,化為成蟲后再重新獲得菌群(Majumderetal., 2020)。無菌條件下連續(xù)飼喂蜜蜂無菌蔗糖糖漿可獲得無菌蜜蜂(Mottaetal., 2018);無菌沙漠蝗通過飼喂γ射線處理后的凍干草與麥麩后獲得(Dillonetal., 2000)?？股胤ㄊ侵竿ㄟ^連續(xù)飼喂添加一定比例的某一抗生素或多種抗生素的昆蟲食料,顯著降低腸道菌群豐度從而達到清除腸道菌群的目的(黃艷紅, 2012; 沈金紅等, 2018; 王志博等, 2021)。由于抗生素處理法操作簡便對宿主影響較小并且無菌狀態(tài)相對穩(wěn)定,成為一種應用相對廣泛的腸道菌群清除手段。

比如,使用100 μg /mL慶大霉素與利福平混合液(胡紫媛和夏嬙, 2021)或200和500 μg/mL慶大霉素飼喂德國小蠊Blattellagermanica(傅強等, 2001),其共生菌去除率均可達100%。25 μg/mL利福平處理褐飛虱5 d后可去除99%以上的沃爾巴克氏體Wolbachia(李國勇等, 2017);灰茶尺蛾Ectropisgrisescens連續(xù)2個世代取食質(zhì)量分數(shù)為2.5 mg/mL利福平和四環(huán)素后可去除沃爾巴克氏體(Dillonetal., 2002)。盡管抗生素法獲無菌昆蟲在實際應用中較為便捷與廣泛,但由于抗生素對昆蟲具一定毒性,影響昆蟲的生理特性以及生殖能力,仍存在一定局限性。

一方面,抗生素處理在一定程度上會影響宿主生長發(fā)育,干擾宿主營養(yǎng)代謝,削弱宿主免疫抗性,譬如Duan等(2021)用1/50(v/w)鏈霉素和青霉素聯(lián)合處理蜜蜂后削弱了宿主營養(yǎng)代謝功能,甚至直接干擾了蜜蜂免疫功能;另一方面,抗生素處理對昆蟲還會有跨代影響,Ourry等(2020)研究發(fā)現(xiàn),0.5 mg/mL四環(huán)素處理甘藍地種蠅Deliaradicum整個成蟲期,在其后代腸道菌群中也發(fā)現(xiàn)了細菌菌群多樣性下降的現(xiàn)象。值得注意的是抗生素聯(lián)合使用也可能無法完全去除某一類菌,更多的只是抑制菌群生長。并且共生菌完全去除效果具有暫時性,停用抗生素后菌群數(shù)量不會一直維持在較低的狀態(tài),而會隨著抗生素的停用逐漸恢復菌群,但無法恢復到正常菌群的狀態(tài)。德國小蠊共生菌在左氧氟沙星和慶大霉素處理后豐度顯著降低,停止抗生素處理14 d其腸道菌群開始恢復,但也無法完全恢復到處理前水平(Lietal., 2020)。因此,在選擇有效抗生素配方的同時,還需減少抗生素對宿主的毒副作用,避免影響實驗結(jié)果的可信度。

6 昆蟲腸道微生物的應用

經(jīng)過長期協(xié)同進化,昆蟲腸道微生物與宿主形成了緊密的共生關系。腸道共生菌對于宿主的重要意義被廣泛認知,通過有益微生物進行生物防治成為控制有害生物增長的重要手段:通過利用沃爾巴克氏體的殺雄能力(劉媛等, 2021)與其誘導孤雌生殖的特性,將其轉(zhuǎn)接到害蟲天敵體內(nèi)誘導天敵增殖來控制害蟲種群數(shù)量(Bianetal., 2013)。隨著遺傳技術手段的進步,通過遺傳手段改良和操縱昆蟲腸道共生菌也成為了生物防治的新突破點。腸道微生物還可作為dsRNA傳遞的載體,實現(xiàn)RNA干擾的可持續(xù)性與物種特異性傳遞(Whitten and Dyson, 2017)。使用RNAi技術抑制錐蝽Rhodniusprolixus體內(nèi)可穩(wěn)定定殖與傳代的共生菌蝽象紅球菌Rhodococcusrhodnii卵黃蛋白原基因表達,能成功降低錐蝽幼蟲存活率與卵孵化率(張振宇等, 2017)。昆蟲腸道共生菌研究與其他學科的融合發(fā)展也取得了進展,通過改造昆蟲共生菌為基因表達載體,可實現(xiàn)轉(zhuǎn)基因效果從而防治有害生物與蟲媒傳染病(王四寶和曲爽, 2017; Caragataetal., 2021; 蔣永茂等, 2022)。

在研究共生菌組成與功能的基礎上,運用共生菌提高昆蟲資源開發(fā)與運用的前景也十分可觀。比如我國重要的經(jīng)濟昆蟲——家蠶,其腸道菌Stenotrophomonasmaltophilia能為宿主提供必需氨基酸,并促進家蠶的生長發(fā)育(陳勃生, 2020)。維持生態(tài)平衡與創(chuàng)造經(jīng)濟收益的重要昆蟲——蜜蜂,其腸道共生菌雙歧桿菌屬Bifidobacterium與吉利安氏菌Gilliamella可幫助宿主吸收短鏈脂肪酸,提高宿主食物利用率(Zhengetal., 2019)。

不僅于此,運用微生物進行生物能源生產(chǎn)與有害物質(zhì)降解近來也是微生物研究一大熱點。以木質(zhì)纖維素為食的暗黑鰓金龜Holotrichiaparallela,其腸道中含有豐富的可降解木質(zhì)纖維素的菌株(黃勝威, 2012),或許可用于全新生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化反應器的構建(Shengetal., 2012)。黑水虻Hermetiaillucens幼蟲對抗生素的生物降解能力與其腸道共生菌呈現(xiàn)相關性(劉存成, 2020)。在環(huán)境保護方面,黃粉蟲Tenebriomolitor共生真菌Trameteshirsuta對聚乳酸(polylactic acid, PLA)塑料具有一定的降解能力(馮娟等, 2022),大蠟螟Galleriamellonella具有取食與降解塑料能力,其他相關有益共生菌的研究與利用也逐漸進入人們視野(郭鴻欽等, 2020; Ibrahimetal., 2021)。由此看出,通過清除腸道共生菌這一技術手段探究與驗證菌群功能,還將促進農(nóng)林、生態(tài)、能源等多個學科領域的共同發(fā)展。

7 小結(jié)與展望

本文綜述了腸道微生物多樣性及影響因素、功能與應用、傳播機制、分離鑒定與研究方法、無菌昆蟲獲得方法。腸道共生菌對宿主昆蟲的營養(yǎng)代謝、生長發(fā)育等諸多方面具有重要影響。在長期協(xié)同進化過程中,宿主昆蟲形成了一套健全的免疫系統(tǒng)來保留有益共生菌、殺滅外來病原菌,從而維護腸道微生物間的平衡與穩(wěn)定。但目前絕大多數(shù)昆蟲腸道微生物潛在功能及與宿主互作的分子機制尚未揭曉,共生菌對于宿主生命活動的具體功能也所知甚少,這些將成為未來研究的重點和熱點。深入挖掘微生物分泌物與代謝物、菌群生態(tài)位、微生物分解代謝等對宿主昆蟲營養(yǎng)代謝、生理行為、防御解毒的作用或有助于未來昆蟲腸道微生物運用于有害生物防治、環(huán)境垃圾治理、食品加工中。

已發(fā)展的微生物研究方法大多以分子生物學為基礎,該方法仍有不可忽視的缺陷:在檢測中將破壞微生物結(jié)構,并在原位狀態(tài)低豐度微生物檢測及微生物體內(nèi)細胞表型異質(zhì)性下的研究局限較大。拉曼光譜作為一種能反映微生物單細胞表型分子組成的光學檢測方法,將來或可運用于微生物種類鑒定、細菌代謝產(chǎn)物檢測、抗生素藥敏試驗中。但當前拉曼光譜數(shù)據(jù)庫有限、設備價格較高、操作難度較大,在微生物研究的推廣中還有較大發(fā)展空間(劉坤香, 2023),或在不久的將來,該技術也將與現(xiàn)有研究技術結(jié)合,豐富昆蟲腸道共生菌研究。隨著氣候條件與人口不斷變化,探索腸道共生菌作為管理宿主或用于協(xié)調(diào)已有害蟲的防治將促進更有效的創(chuàng)新技術發(fā)展,并為尋找便捷、高效的生物防治方法提供新思路。無菌昆蟲模型的構建有助于對昆蟲腸道微生物在宿主與外源脅迫相互作用過程中扮演角色的認知,但當前獲取無菌昆蟲的方法仍有一定局限性,相信隨著共生菌功能研究技術的不斷進步,腸道微生物功能研究方法也將更為全面與科學。

總之,腸道微生物的生物學功能及其作用機制復雜多樣,目前已知的微生物功能機制仍只是冰山一角,潛在資源仍等待我們進一步地挖掘與運用。深入解析腸道微生物功能,不僅可為揭示昆蟲-微生物的互作機制奠定基礎,更有助于尋找更為環(huán)保、高效的有害生物控制方法。