热带海拔梯度下宿主身份（而非海拔）主导蜜蜂微生物组的构建格局

本研究通过16S rRNA基因测序技术，系统解析了秘鲁安第斯山脉3600米海拔梯度中五类蜂族（蜜蜂、熊蜂、无刺蜂、兰花蜂和汗蜂）肠道微生物组的多样性及群落结构变化。研究发现宿主分类身份是驱动微生物群落组成的核心因素，而海拔梯度通过环境过滤效应显著促进微生物类群更替（turnover）。该成果为预测气候变化下宿主-微生物互作关系提供了关键生态学视角。

　　

1 引言

环境条件塑造着自然生态系统的多样性格局、群落结构和生物互作关系。随着全球变暖加剧，气候变化预计将重构营养级互作并影响生态系统动态。海拔梯度作为研究全球变暖效应的天然实验室，其环境因子（尤其是温度和降水）在短地理距离内发生剧烈变化，导致物种组成快速更替。尽管海拔梯度已被广泛应用于研究各类生物类群对环境变化的响应，但关于昆虫肠道微生物群落沿海拔梯度的分布规律及驱动机制仍知之甚少。

蜜蜂作为关键传粉者，其肠道微生物群落对宿主健康具有深远影响，包括营养吸收、毒素降解、病原体防御和免疫调节等功能。蜜蜂肠道微生物的传播途径可分为两类：社会性蜂类（如蜜蜂、熊蜂和无刺蜂）通过垂直传播（社交行为如交哺和理毛）获得共生菌；而独栖性或弱社会性蜂类（如兰花蜂和汗蜂）则更多依赖从环境中水平获取。这种传播方式的差异可能导致其微生物群落结构对环境变化的响应存在显著不同。

2 研究方法

2.1 研究区域与采样设计

研究在秘鲁科斯尼帕塔山谷（Kos?ipata valley）进行，沿海拔245至3658米设置了33个采样点，覆盖热带低地、山地雨林和高地植被。使用温度记录仪（TMS logger和iButton）连续监测环境温度。于2022年9月至12月期间采集五类蜂族标本：蜜蜂族（Apini，仅西方蜜蜂Apis mellifera）、熊蜂族（Bombini，5种）、无刺蜂族（Meliponini，16属）、兰花蜂族（Euglossini，4属）和汗蜂族（Halictini，11属）。每只蜜蜂的肠道样本经无菌解剖后保存于DNA/RNA保护液中。

2.2 分子分析流程

采用Zymo BIOMICS? 96 DNA试剂盒提取肠道微生物基因组DNA，通过16S rRNA基因V4区扩增子测序（Illumina MiSeq平台）进行微生物群落解析。使用VSEARCH进行序列质量控制、去噪和ASV（扩增子序列变体）聚类，并基于SILVA、RDP和GreenGenes数据库进行物种注释。数据分析在R环境中完成，主要应用vegan、iNEXT、phyloseq等包进行多样性计算和统计检验。

2.3 数据分析策略

通过iNEXT方法标准化α多样性（微生物丰富度和香农多样性），采用负二项广义线性模型分析其与海拔的关系。β多样性分析基于Bray-Curtis相异矩阵，通过NMDS排序、PERMANOVA和方差分解评估宿主分类与海拔的贡献度。使用beta.part包分解群落更替（turnover）和嵌套性（nestedness）组分，并通过Mantel检验验证其与海拔的相关性。

3 研究结果

3.1 宿主与微生物多样性海拔格局

共820只蜜蜂样本的分析显示：蜜蜂和熊蜂分布贯穿整个梯度（最高达3658米），无刺蜂和汗蜂限于3000米以下，兰花蜂仅分布至2250米。微生物α多样性呈现显著的宿主特异性响应：蜜蜂、无刺蜂和兰花蜂的微生物丰富度随海拔升高而下降，符合代谢理论预测；熊蜂的微生物多样性却随海拔上升而增加，可能与高海拔物种适应性和病原压力降低有关；汗蜂则呈现中海拔 richness 峰值格局。

3.2 群落结构的驱动因素

PERMANOVA分析表明宿主分类身份解释了微生物群落变异的9%，而海拔仅贡献1%。方差分解进一步显示：对于熊蜂和汗蜂，宿主物种/属级身份是群落结构的主要预测因子；而无刺蜂和兰花蜂的微生物组成则更受海拔影响。值得注意的是，熊蜂中14%的变异来自海拔与宿主物种的交互效应，表明二者不可独立分割。

3.3 β多样性分解与类群响应

微生物β多样性主要由物种更替（turnover）驱动，尤其在熊蜂、无刺蜂、兰花蜂和汗蜂中，高海拔地区更替率显著升高。相反，蜜蜂微生物群落呈现嵌套性模式，高海拔群落成为低海拔菌群的子集。主要细菌科级类群显示海拔特异性响应：熊蜂的乳酸杆菌科（Lactobacillaceae）和奈瑟菌科（Neisseriaceae）丰度随海拔下降；无刺蜂的乳酸杆菌科则显著增加而奈瑟菌科减少；其他蜂类核心菌群未表现显著海拔趋势。

3.4 核心微生物组稳定性

社会性蜂类（蜜蜂、熊蜂、无刺蜂和兰花蜂）的核心菌群包含Snodgrassella、Gilliamella、Bifidobacterium和Lactobacillus等属，而汗蜂以Apilactobacillus和Wolbachia为主。线性混合模型显示无刺蜂核心菌群丰度随海拔下降，兰花蜂则相反，其他蜂类未表现海拔相关性。

4 讨论

4.1 多样性格局的生态机制

微生物多样性沿海拔的下降趋势符合环境过滤效应和代谢理论预测，低温限制微生物生存与进化速率。但熊蜂的逆向响应可能源于其高海拔物种替代策略和 thermoregulation 能力，导致病原压力降低和环境菌群导入增加。汗蜂的中海拔峰值暗示其微生物组受环境因子强烈调控，与独栖性生态特征相符。

4.2 宿主与环境的博弈

宿主分类身份的整体主导性印证了"宿主作为生态系统"理论，社会性蜂类通过垂直传播维持稳定菌群，而独栖蜂类更易受环境菌源入侵。海拔的显著效应体现在两方面：一是通过温度、氧分压等直接筛选微生物类群；二是间接影响宿主分布从而改变微生物宿主互作网络。

4.3 类群特异性适应的启示

乳酸杆菌科和奈瑟菌科的反向海拔响应揭示了微生物功能适应性的分化：前者可能具有低温适应株系（如无刺蜂），而后者（耐热特性）在低温环境中竞争力下降。蜜蜂微生物组的嵌套性模式表明其通过社会性行为缓冲环境压力，维持核心菌群稳定性。

5 结论与展望

本研究首次在完整热带海拔梯度上揭示宿主分类身份相较于海拔梯度对蜜蜂微生物组构建具有更强主导作用。环境变化通过促进微生物类群更替而非嵌套性损失驱动群落重组。未来需结合宏基因组学和功能实验验证特定菌株的海拔适应性机制，为预测气候变化下传粉者-微生物共生系统稳定性提供理论框架。