白蚁肠道微生物组的膳食弹性与酶功能分化反映其取食策略的生态适应性

本研究通过对比新热带区多食性白蚁Silvestritermes euamignathus与专食性白蚁Cornitermes cumulans的肠道菌群组成与酶活性，揭示了取食策略塑造微生物组稳定性的机制。采用16S rRNA基因测序（V4区）和木质纤维素酶活性检测，发现多食性白蚁在复杂人工饲料条件下维持稳定的微生物β多样性（PCoA分析）和CAZyme表达谱（Tax4Fun2预测），而专食性白蚁则出现Bacillota门细菌丰度波动及木聚糖酶（EC.3.2.1.8）活性显著降低（p<0.001）。该成果为理解共生系统功能冗余对宿主环境适应力的影响提供了新证据。

　　

1 Introduction

白蚁作为热带生态系统关键分解者，其消化能力高度依赖肠道微生物组。根据共生微生物组成，白蚁可分为依赖原生生物的低等白蚁和仅依赖细菌的高等白蚁（Termitidae）。本研究聚焦两种新热带区高等白蚁：多食性Silvestritermes euamignathus（取食范围涵盖木材、落叶及其他白蚁巢材）和专食落叶的Cornitermes cumulans。前期研究发现多食性白蚁肠道菌群多样性更高，暗示其可能具备更强的代谢可塑性。

2 Materials and methods

实验设计：

• 样本采集：在巴西坎皮纳斯地区（22°46’S,47°04’W）采集4个独立巢群，确保遗传异质性

• 饲料处理：设置葡萄糖（单糖）、CreaFibe（84-88%纤维素）、Arbocel^? RC（含>20%木质素）及纯琼脂对照

• 分析方法：

• 微生物组：16S rRNA V4区测序（Illumina MiSeq），DADA2流程生成ASV

• 酶活性：检测β-1,4-葡聚糖酶（pNP-G底物）、木聚糖酶等5种酶活，单位nmol糖/mg蛋白

3 Results

3.1 基础微生物组特征

两物种共享仅6.3%的ASV，多食性白蚁优势菌为Papillibacter（Bacillota门），专食性白蚁以Acinetobacter（Pseudomonadota门）为主。PCoA分析显示物种间β多样性差异显著（p<0.001），但α多样性无统计学差异。

3.2 膳食扰动响应

多食性白蚁在所有饲料中维持稳定的门水平组成（Bacillota/Actinomycetota/Bacteroidota占比67%），而专食性白蚁在复杂饲料中Bacillota丰度波动达30%。值得注意的是，专食性白蚁在纯琼脂组出现100%死亡率，提示其严格依赖特定膳食纤维。

3.3 酶功能分化

多食性白蚁在复杂饲料中持续表达木质素过氧化物酶（EC.1.11.1.14）和阿拉伯木聚糖酶（EC.3.2.1.55），而专食性白蚁人工饲料组的木聚糖酶活性降低达60%（p<0.05）。Tax4Fun2预测显示多食性白蚁CAZy基因家族（如GH5、GH11）表达谱更广。

4 Discussion

研究揭示多食性白蚁通过微生物组功能冗余（涉及15个CAZy家族）实现膳食弹性，其机制可能包括：

• 代谢开关调控：葡萄糖饲料诱导α-淀粉酶（EC.3.2.1.1），复杂饲料激活木质素降解通路

• 关键菌群稳定性：Bacillota门在膳食扰动中保持丰度稳定

相比之下，专食性白蚁的狭窄营养生态位使其共生系统缺乏可塑性，这与其自然环境中落叶化学成分相对单一的特性相符。该发现为预测气候变化下分解者功能群演变提供了理论框架——具有微生物组弹性的多食性物种可能在新环境中占据竞争优势。

方法学局限：全肠道酶提取物包含宿主（唾液腺）和微生物来源酶，未来需通过原位杂交等技术解析空间贡献。研究首次证实高等白蚁的取食策略-微生物组功能耦合规律，为开发生物质降解菌剂提供了新候选菌群（如Silvestritermes菌群中的GH11高表达菌株）。