空间隔离与跨界互作驱动无刺蜂蜂巢微生物组组装

《Nature Communications》：Spatial segregation and cross-kingdom interactions drive stingless bee hive microbiome assembly

本研究针对社会性昆虫微生物组组装机制这一核心问题，以具有独特巢室结构和酵母共生体的无刺蜂（Scaptotrigona spp.）为模型，通过扩增子测序、宏基因组学和微生物实验，揭示了蜂巢微生物组的多层次组装机制。研究发现蜂巢微生物组具有显著的空间结构，高微生物流入区域与育雏区隔离，而育雏区通过细菌-真菌选择性互作和蜂群调控的pH等非生物条件维持着稳定的跨界微生物群落。该研究为理解真社会性超级生物体的微生物组维持机制提供了新见解，对重要传粉昆虫的保护具有重要意义。

　　

在生命世界的隐秘角落，微生物与宿主之间绵延数亿年的共生关系，始终是进化生物学和微生物生态学的研究前沿。对于像蜜蜂这样的真社会性昆虫而言，整个蜂巢更像一个"超级生物体"，其健康取决于所有成员和巢室组成的复杂生态系统。尽管以蜜蜂和熊蜂为代表的冠状蜂类已成为研究微生物组组装的重要模型，但它们却忽略了真社会性动态的多样性和跨界相互作用的复杂性。作为最多种多样的真社会性蜜蜂类群，无刺蜂（Meliponini）拥有独特的生物学特性：它们构建高度分隔的蜂巢，将食物储存与育雏区完全分离；至少在一个物种（Scaptotrigona depilis）中，幼虫发育必须依赖共生酵母Zygosaccharomyces。这些特征使无刺蜂成为在生态进化背景下研究微生物组组装的宝贵互补系统。

由Lilian Caesar和Irene Newton领导的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项开创性研究，首次全面揭示了无刺蜂蜂巢微生物组的组装机制。研究人员通过综合运用扩增子测序、宏基因组分析和微生物实验，发现Scaptotrigona蜂巢微生物组的组装受到从宿主生物学到跨界微生物相互作用的多层次机制调控。

研究方法概述

研究团队从巴西三个养殖场的Scaptotrigona depilis和S. bipunctata蜂巢中系统采集了食物储存（花粉和蜂蜜）、发育中的蜜蜂（幼虫和幼虫食物）以及成年工蜂肠道（护士蜂、采集蜂和兵蜂）等样本。通过16S rRNA和ITS扩增子测序分析细菌和真菌群落结构，利用鸟枪法宏基因组测序进行物种鉴定和功能注释，并分离代表性微生物菌株进行体外互作实验，探究细菌-真菌相互作用机制。

蜂巢微生物组以乳酸菌科和酵母菌科为主导

研究首次揭示了Scaptotrigona蜂巢微生物组的整体结构。无论是细菌还是真菌群落，其丰富度和多样性在蜂巢不同组分间均存在显著差异。蜂蜜样本和兵蜂拥有最丰富的微生物群落，而成年蜜蜂则表现出最高的多样性。

蜂巢组分是影响微生物组成的最重要因素。大多数蜂巢组分以乳酸菌科（Lactobacillaceae）为主，但不同组分有其独特的类群特征：食物储存区还含有醋酸菌科（Acetobacteriaceae）和不动杆菌（Acinetobacter），而成虫则携带Floricoccus、双歧杆菌科（Bifidobacteriaceae）和Bombilactobacillus。真菌群落中，幼虫和幼虫食物微生物组主要由酵母菌目（Saccharomycetales），特别是酵母菌科（Saccharomycetaceae）主导，其中可能包括Scaptotrigona蜜蜂的已知共生菌Zygosaccharomyces和Starmerella。

细菌物种的空间隔离与有限菌株共享

宏基因组分析获得了14个高质量的细菌宏基因组组装基因组（MAGs），代表了扩增子数据中普遍存在的细菌。这些MAGs大多为新物种，与最近亲的平均核苷酸一致性（ANI）在67%至75%之间。

细菌物种在蜂巢内呈现明显的空间隔离。食物储存区和幼虫食物主要富含乳酸菌科，特别是Acetilactobacillus sp. 1和Acetilactobacillus sp. 2。幼虫几乎不被细菌定植，而护士蜂肠道主要含有Acetilactobacillus、Bombilactobacillus和Bifidobacterium。采集蜂不再携带Acetilactobacillus，但保留Bombilactobacillus和Bifidobacterium。兵蜂主要被Bifidobacterium定植，但部分个体也携带肠杆菌科（Enterobacteriaceae）如Raoultella sp.，可能反映了通过与蜂巢入侵者相互作用获得的环境污染物。

菌株水平分析显示，蜂蜜、花粉和采集蜂是细菌菌株进入的主要入口点，具有最高的菌株多样性。尽管不同样本间存在重叠的扩增子序列变体（ASVs）和细菌物种，但菌株共享很少见，主要出现在食物储存样本中。

细菌携带处理合成化合物和降解植物多糖的基因

功能注释分析揭示了细菌在不同蜂巢组分中的适应性特征。幼虫样本中细菌contigs总长度极低（0.01-0.05 Mb），而成虫和食物储存区分别达到2-13 Mb和14-33 Mb。

蜂巢微生物组整体显示碳水化合物和氨基酸代谢以及辅因子和维生素代谢基因的相对高丰度。兵蜂微生物组富含细菌感染性疾病蛋白和安莎霉素生物合成相关基因，而蜂蜜微生物组则富含抗菌化合物（如吩嗪和单环β-内酰胺类）生物合成以及合成化合物（如硝基甲苯、氟苯甲酸和多环芳烃）降解相关蛋白。食物储存区丰富的Acetilactobacillus和Nicoliella可能通过发酵贡献于腐败控制，而成虫中丰富的Bifidobacterium和Bombilactobacillus则携带更多植物多糖消化基因，可能有助于蜜蜂营养。

跨界互作塑造特征性育雏微生物组

幼虫食物中稳定的细菌和真菌群落表明微生物相互作用可能在组装中起重要作用。研究人员从幼虫食物中分离出三种细菌：两种乳酸菌科（Apilactobacillus sp.和Weissella sp.）和一种醋酸菌科（Bombella sp.），并测试它们与从同一环境分离的真菌（包括核心类群和潜在 transient 真菌）的相互作用。

竞争实验显示，所有细菌菌株在高或低丰度下均能抑制蜜蜂病原体Aspergillus，其中Apilactobacillus sp.抑制作用最强。然而，当测试与共生真菌的相互作用时，只有Bombella特异性抑制Zygosaccharomyces生长，而Apilactobacillus sp.不仅不抑制Zygosaccharomyces sp.，反而促进其生长，并加速其假菌丝形成。Apilactobacillus sp.即使在Bombella sp.存在下也能促进Zygosaccharomyces sp.生长。

乳酸菌抑制蜜蜂相关真菌

为评估这种选择性抗真菌作用的范围，研究人员测试了这些细菌与从意大利蜜蜂（Apis mellifera）幼虫中分离的真菌的相互作用。来自Scaptotrigona的Apilactobacillus sp.和Weissella sp.均能抑制非本地丝状真菌，但不抑制Starmerella sp.。有趣的是，虽然两种乳酸菌科在竞争实验中表现出相似的抑制模式，但只有Apilactobacillus sp.（能促进S. depilis的Zygosaccharomyces）抑制蜜蜂相关的Zygosaccharomyces，表明这种选择性相互作用不是乳酸菌科的普遍特征。

非生物因素促进酵母丰富的幼虫食物

研究人员还测试了育雏温度差异和细菌代谢对真菌生长的影响。两种S. depilis酵母在Scaptotrigona育雏典型温度（约30°C）下生长更好，而在蜜蜂育雏温度（约34°C）下生长较差。所有三种乳酸菌科菌株均能将培养基酸化至pH<5。酸性条件抑制所有丝状真菌，而酵母生长基本不受影响；来自无刺蜂和蜜蜂的Zygosaccharomyces分离株甚至略有促进。这些结果表明，幼虫食物的细菌酸化可能有助于丝状真菌的抑制，并与育雏温度一起促进酵母增殖。

研究结论与意义

本研究首次对高度真社会性蜂群（无刺蜂）的多种组分进行了全面的微生物组表征，揭示了蜂巢水平微生物组组装和维护的多层次机制。研究发现Scaptotrigona蜂巢拥有一个以乳酸菌科和酵母菌科为主的一致微生物组；该微生物组具有空间结构，新类群显示出局部适应特征，高微生物流入组分与受保护的育雏区隔离；在育雏区，幼虫食物（真社会性冠状蜂中独特的质量供给）被酵母菌科群落定植，该群落由蜂巢特征（如温度和细菌驱动的酸化）和与本地丰富细菌的选择性相互作用维持。

蜂巢的空间分隔在塑造群体微生物组组装中起着关键作用。无刺蜂育雏巢被蜡质 involucrum 包围，育雏细胞在产卵后被密封覆盖在幼虫食物上，这可能代表了与其质量供给策略相关的重要进化适应。这些保护层可能促进了S. depilis中Zygosaccharomyces共生关系的建立。

选择性跨界微生物相互作用也在其他宿主中进化，例如切叶蚁，其中Pseudonocardia（最初是肠道共生体）成为保护真菌栽培品种的角质层互利共生体，通过抑制真菌病原体。在无刺蜂中，蜂群行为（真社会性冠状蜂中独特的行为，涉及工蜂转移巢材料）可能同样实现垂直传播，并有助于蜂巢水平共生体的建立。

这项工作也具有应用意义，因为无刺蜂是热带生态系统中重要的传粉者，但面临栖息地丧失、新病原体、农用化学品和气候变化的日益严重威胁。对其共生体的更深入了解有助于指导保护和管理工作，以支持授粉和生态系统健康。