沃尔巴克氏体wMel感染改变埃及伊蚊中肠微生物群多样性与互作网络的研究

《Communications Biology》：Midgut microbiota diversity and interactions shift when field Aedes aegypti mosquitoes carry the wMel strain of Wolbachia pipientis

本研究针对沃尔巴克氏体（Wolbachia）wMel菌株能否改变埃及伊蚊（Aedes aegypti）中肠微生物群组成这一关键问题，通过对巴西里约热内卢不同wMel入侵程度区域的野外蚊虫样本进行16S rRNA测序分析，发现wMel阳性蚊虫的微生物群α多样性显著降低，核心微生物群减少，且微生物互作网络呈现更复杂的多中心结构。该研究首次在自然种群中揭示wMel通过重塑载体微生物生态系统增强其定植能力的潜在机制，为优化基于沃尔巴克氏体的蚊媒控制策略提供了重要理论依据。

　　

在登革热、寨卡病毒病等蚊媒传染病全球肆虐的背景下，基于沃尔巴克氏体（Wolbachia）的蚊媒控制技术成为最具前景的生物学防控手段。其中，wMel菌株可通过细胞质不亲和（CI）和病原体阻断效应显著降低埃及伊蚊（Aedes aegypti）传播病毒的能力。然而，沃尔巴克氏体与蚊虫体内天然微生物群的互作关系尚不明确，这种互作可能影响wMel在自然种群中的持续存在和传播效能。特别是在巴西里约热内卢的实地监测中发现，wMel在不同区域的入侵成功率存在显著差异，这种异质性是否与载体微生物组的调节作用相关，成为亟待解决的科学问题。

为解决这一关键问题，研究团队在《Communications Biology》上发表了最新成果，通过对里约热内卢五个特征区域（完全入侵区FI、部分入侵区PI1/PI2、无释放区NR1/NR2）的野外埃及伊蚊雌虫中肠样本进行16S rRNA基因V3-V4区测序，结合生物信息学分析和网络建模，系统揭示了wMel感染对载体微生物生态系统的影响机制。

研究采用的主要技术方法包括：野外蚊虫采样与wMel感染状态鉴定（多重PCR）、中肠组织分离与DNA提取、16S rRNA基因V3-V4区扩增子测序（Illumina MiSeq平台）、DADA2降噪生成扩增子序列变异（ASVs）、α/β多样性分析（Chaol指数、Shannon指数、Bray-Curtis相异度）、ANCOM-BC差异丰度分析、随机森林（Random Forest）模型构建以及微生物互作网络分析（基于Spearman相关性）。

微生物群多样性分析揭示wMel的调节效应

通过比较wMel阳性（wMel+）与阴性（wMel-）蚊虫的中肠微生物群，研究发现wMel感染显著降低了微生物群的α多样性（Chaol指数：p=0.003；Shannon指数：p=0.008）。在排除wMel本身的ASVs后，这种差异依然存在，表明wMel对宿主微生物群落产生了实质性影响。主坐标分析（PCoA）显示wMel+组样本分布更为分散，表明其微生物组成异质性更高。值得注意的是，在wMel完全入侵区（FI），微生物群落呈现更高的同质性，暗示wMel与微生物群的互作关系可能随入侵时间而趋于稳定。

微生物组成与核心微生物群的特征

Pseudomonadota为优势门（wMel+组85%，wMel-组83%），其次为Bacteroidota（wMel+）和Firmicutes（wMel-）。在属水平上，wMel+组以沃尔巴克氏体（Wolbachia，52%）、弧菌（Vibrio(678715)，14.5%）和Elizabethkingia（8%）为主，而wMel-组则以弧菌（40%）、Halomonas(C_640989)（12.5%）和肠杆菌科（Enterobacteriaceae(A)）为主导。核心微生物群分析发现，弧菌和肠杆菌科为wMel+与wMel-组共存的核心菌群，而Elizabethkingia和Entomospira为wMel+组特征菌属，Acinetobacter和芽孢杆菌（Bacillus(A)/Bacillus_(P_294101)）则特异性富集于wMel-组。

差异丰度与关键类群的识别

ANCOM-BC分析鉴定出21个在wMel+组显著富集的ASVs和14个显著减少的ASVs。随机森林模型进一步确认Halomonadaceae（Halomonadaceae(641030)）在wMel+组中具有较高预测重要性，而Enterococcaceae、Filifactoraceae(235894)等7个科级类群在wMel存在时丰度降低。特别值得注意的是，Xanthomonadaceae_(616009)与沃尔巴克氏体在FI网络中呈现共排斥关系，暗示其可能参与wMel定植的抗性机制。

微生物互作网络的重构

网络分析揭示了wMel感染对微生物互作模式的深刻影响。在wMel-组中，各区域网络均呈现单一中心结构（如PI1区的Mycobacteriaceae、NR1区的Halomonadaceae(641030)）。而wMel+组则表现出更复杂的多中心互作网络：在完全入侵区（FI），Weeksellaceae、Vibrionaceae等5个家族成为枢纽节点；在部分入侵区（PI2），Anaplasmataceae（沃尔巴克氏体）与Halomonadaceae(641030)、Vibrionaceae等形成协同互作模块。尤为重要的是，沃尔巴克氏体在FI网络中作为高度连接节点，既与6个类群存在共现关系，又与6个类群（包括Dysgonomonadaceae等枢纽类群）呈现共排斥，表明其在微生物生态系统中的核心调控地位。

本研究通过多维度分析证实，沃尔巴克氏体wMel感染显著重塑了埃及伊蚊中肠微生物群的结构与功能。不仅降低了微生物多样性，还改变了关键类群（如Elizabethkingia、Halomonadaceae）的丰度模式，并重构了微生物互作网络，使其从单一中心结构转变为多中心协同/竞争体系。这种微生物生态系统的重构可能通过多种机制增强wMel的定植适应性：一方面，沃尔巴克氏体与特定菌群（如Halomonadaceae）的协同关系可能通过代谢互补（如丙酮酸代谢）促进其增殖；另一方面，对潜在竞争菌群（如Xanthomonadaceae）的抑制可能减少生态位竞争压力。

研究结果对沃尔巴克氏体介导的蚊媒控制策略具有重要启示：首先，微生物群组成可能作为预测wMel入侵成功率的生物标志物，例如Xanthomonadaceae的高丰度可能指示wMel定植抗性；其次，关键协同菌群（如Elizabethkingia）的鉴定为开发联合益生菌-沃尔巴克氏体增效策略提供了新靶点；最后，微生物网络结构的动态变化为理解wMel在异质环境中的持久性机制提供了生态学视角。该研究不仅深化了对共生微生物-载体互作机制的理解，也为优化田间蚊媒控制方案提供了理论依据和实践指导。