树皮甲虫肠道核心微生物组协同解毒基因组学图谱揭示芳香化合物与萜类代谢的功能互补性

《BMC Genomics》：Comparative genomics of dominant members of the gut core microbiome of the bark beetle, Dendroctonus rhizophagus (Curculionidae: Scolytinae) reveals potential functional complementarity in the detoxification process

本研究针对树皮甲虫Dendroctonus rhizophagus如何通过肠道微生物克服寄主松树毒性防御的难题，通过比较基因组学分析了其核心细菌（Acinetobacter、Pseudomonas、Rahnella、Serratia）和酵母（Candida、Danielia、Cyberlindnera、Zygoascus）的解毒潜能。研究发现微生物携带1293个基因参与22条KEGG解毒通路，包括芳香化合物（苯甲酸、阿魏酸）和单萜/二萜降解模块，并鉴定出细胞色素P450、谷胱甘肽S-转移酶（GST）及多药耐药转运蛋白（ABC、MFS）等关键酶与转运体。结果表明微生物间存在功能互补，协同完成毒性化合物的I–III相解毒（功能化、结合、外排），为昆虫-微生物互作增强环境适应性提供了新机制。

　　

在北方针叶林生态中，树皮甲虫（Dendroctonus）扮演着复杂的角色：它们既能通过分解衰弱树木参与养分循环，又可在环境压力下爆发成灾，导致健康树木大面积死亡。这类昆虫的生命周期绝大部分在树皮下完成，幼虫和成虫以韧皮部为食，而寄主树木（如松科植物）的防御系统——富含萜烯、酚类和芳香化合物的树脂——会破坏细胞膜甚至直接杀死昆虫。为了成功定殖并完成生活史，树皮甲虫必须与肠道微生物形成共生联盟，共同应对这些化学屏障。然而，微生物 symbionts 如何通过酶系统和代谢途径协助甲虫解毒，其分子机制尚不清晰。

墨西哥国立理工学院的 Karina Vazquez-Ortiz 团队在《BMC Genomics》发表研究，以特有树皮甲虫Dendroctonus rhizophagus为模型，聚焦其肠道核心微生物组（包括细菌Acinetobacter、Pseudomonas、Rahnella、Serratia和酵母Candida、Danielia、Cyberlindnera、Zygoascus），通过比较基因组学揭示了微生物在解毒过程中的功能互补性。研究人员从墨西哥奇瓦瓦州感染Pinus arizonica的甲虫肠道中分离菌株，通过Illumina NovaSeq平台测序并利用SPAdes进行基因组组装，经BUSCO评估完整性（>90%）。功能注释采用eggNOG-mapper、InterProScan和KEGG Mapper，并通过HMMER识别解毒相关蛋白家族（如P450、GST、ABC转运蛋白等）。系统发育分析用于 cytochrome P450 亚家族分类，蛋白理化性质由Biopython预测。

基因组特征与功能注释

9株微生物的基因组大小为3.37–12.74 Mb，编码基因数3,427–6,276个。GO分类显示微生物在初级代谢、转运和催化活性等术语中富集，暗示其活跃的代谢潜能。

解毒相关KEGG通路

共识别1,293个基因参与22条KEGG解毒通路，包括苯甲酸（ko00362）、药物代谢（ko00983）和单萜（如柠檬烯ko00903）降解等。细菌独占了二甲苯降解（ko00622）等5条通路，而酵母缺失二噁英降解（ko00621）等7条通路。研究还发现了芳香化合物（阿魏酸、香草醛、苯甲酸）通过原儿茶酸邻位裂解、儿茶酚间位裂解等途径完全降解的模块，涉及28个KO酶。

二萜降解基因簇

在Acinetobacter、Pseudomonas和Serratia中发现了二萜降解基因簇（dit基因），包含环羟化双加氧酶（ditA）、异构酶（ditD）和CoA连接酶等关键基因，表明细菌可直接降解树脂酸类二萜。

解毒相关蛋白家族

微生物携带1,890个基因编码11类解毒蛋白。细菌以ABC转运蛋白（54.7%）、MFS（47.5%）和GST（10.5%）为主，酵母中MFS（60.1%）和AKR（15.2%）更突出。

• •
  ABC转运蛋白：细菌以肽/镍摄取（PepT）为主，酵母以药物外排（ABCC）为核心。
• •
  细胞色素P450：仅Pseudomonas携带CYP105T1等萜烯代谢相关P450，酵母则富集CYP52（烷烃氧化）和CYP504（苯乙酸代谢）。
• •
  关键酶类：细菌独有环己酮单加氧酶（CHMO）参与单萜环氧化；醛脱氢酶（ALDH）和醇脱氢酶（ADH）在微生物中广泛分布，可能氧化萜烯衍生物。

功能互补性分析

I相解毒：细菌通过P450、CHMO和双加氧酶启动萜烯/芳香环氧化，酵母通过CYP52/CYP504补充氧化反应。

II相结合：细菌GST（GstA类）结合毒性中间体，酵母GST1/URE2缓解氧化应激。

III相外排：微生物的ABC（如酵母PDR-ABCG）和MFS转运蛋白（细菌DHA1/DHA2）协同外排代谢产物。

研究结论指出，D. rhizophagus肠道微生物通过基因冗余与功能互补，形成了覆盖解毒全过程的代谢网络：细菌主导初始氧化与环裂解，酵母强化结合反应，双方转运系统协同外排毒物。这种“代谢分工”可能显著提升甲虫在寄主防御化学环境中的适应力。该研究首次系统性揭示树皮甲虫肠道微生物的解毒基因组学基础，为理解昆虫-微生物共生对抗植物防御的进化策略提供了新视角。