《Microbial Ecology》：Arctic Insects Show a Highly Dynamic Microbiome Shaped by Abiotic and Biotic Variables
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本研究针对北极极端环境下昆虫微生物组的动态变化机制展开研究，通过野外采样和实验室控制实验，揭示了温度、湿度和饮食等生物与非生物因素对两种代表性昆虫（植食性绿兰籽蝽Nysius groenlandicus和捕食性淡缘姬蝽Nabis flavomarginatus）微生物群落组成的显著影响。研究发现昆虫微生物组具有高度动态性，且存在物种特异性共生菌群，为理解极地昆虫的环境适应策略提供了新的微生物生态学视角。
在地球最北端的极地荒原，北极昆虫面临着严酷的生存挑战：漫长的寒冷冬季与短暂的夏季形成鲜明对比，期间还会出现周期性高温。这片土地不仅寒冷，还异常干燥，冬季水资源因冻结而受限，夏季干旱更是日益严重的问题。这些极端环境条件强烈影响着陆地变温动物的适应性，成为极地物种进化的重要驱动力。更复杂的是，食物资源的有限性进一步制约了昆虫在短暂北极夏季的发育进程。正是在这样的背景下，昆虫与其体内微生物组的关系可能部分解释了它们在这种极端环境下的生存能力。
以往研究表明，昆虫与微生物组可以建立密切的共生关系，这种关系在营养供给、病原体防御和环境适应等方面发挥着关键作用。例如，植食性昆虫的肠道微生物组含有专门分解难降解植物材料的微生物，而吸食汁液的昆虫则依赖特定微生物提供汁液中缺乏的氨基酸。然而，关于北极和南极陆地节肢动物微生物组的研究却寥寥无几，这与其极端环境形成鲜明对比。
发表在《Microbial Ecology》的这项研究由Sara Norris Christoffersen等学者完成，他们以格陵兰籽蝽（Nysius groenlandicus）和淡缘姬蝽（Nabis flavomarginatus）为模型，通过野外采样和实验室控制实验，系统研究了时间、驯化温度、湿度和饮食等生物与非生物因素对两种昆虫细菌群落的影响。
研究团队采用了多重实验设计：实验1比较了不同采样日两种昆虫的微生物组差异；实验2追踪了绿兰籽蝽在整个夏季的季节性变化；实验3-5则在实验室条件下分别探究了温度（2.5-25°C）、湿度（5-100% RH）和饮食（不同种子或猎物）对微生物组的影响。技术方法上，研究使用牛津纳米孔技术（Oxford Nanopore Technologies）进行16S rRNA基因全长（2021年样本）和V1-V8区（2023年样本）测序，通过ONT-AmpSeq流程进行预处理，以97%相似度聚类操作分类单元（OTU），并基于SILVA数据库进行物种注释。
物种差异与日际变化（实验1）
研究发现两种昆虫的细菌组成存在显著差异。绿兰籽蝽微生物组中以摩根菌科（Morganellaceae）的Candidatus Schneideria nysicola为主导（占51.9-74.6%），这是一种专性细胞内细菌共生体，可能为宿主提供种子汁液中缺乏的营养物质。而淡缘姬蝽则以耶尔森菌科（Yersiniaceae）为主（15.4-40.7%）。两种昆虫均检测到沃尔巴克氏体（Wolbachia）、立克次体（Rickettsiella）和立克次氏体（Rickettsia）等潜在共生菌。采样日的气候条件（温度波动）对细菌多样性有显著影响，约束对应分析（CCA）显示两种昆虫的细菌群落组成在不同采样日存在差异。
季节性变化规律（实验2）
对绿兰籽蝽的连续监测发现，其细菌多样性随季节推进而变化，且与田间湿度变化趋势一致。回归分析表明，采样前4小时和8小时的最低温度以及采样前8小时的最低和最高湿度对细菌多样性有显著影响。此外，研究还检测到螺旋原体（Spiroplasma）、Candidatus Karelsulcia muelleri和肠球菌（Enterococcus）等新的共生菌群，这些可能为昆虫在资源有限的北极环境中提供适应性优势。
温度驯化的影响（实验3）
实验室温度控制实验显示，驯化温度对两种昆虫的细菌多样性均有显著影响。极端温度（2.5°C和25°C）下的微生物组与适中温度（10-20°C）存在明显差异。绿兰籽蝽在所有温度条件下均表现出独立的微生物组聚类，而淡缘姬蝽在极端温度下微生物组变化更为明显。两种昆虫中均检测到与热耐受性相关的共生菌（如立克次氏体、螺旋原体和沃尔巴克氏体），这些菌可能帮助宿主适应北极多变的温度环境。
湿度响应机制（实验4）
尽管不同湿度处理下淡缘姬蝽的细菌多样性无显著差异，但约束对应分析显示5%、90%和100%相对湿度下的微生物组聚类相对独立。检测到的沃尔巴克氏体此前已被证明与无脊椎动物的脱水耐受性相关，而Candidatus S. nysicola和植物病原体Clavibacter michiganensis可能是通过饮食途径从猎物传递给捕食者。
饮食转移效应（实验5）
饮食实验表明，以绿兰籽蝽为食的淡缘姬蝽其微生物组与绿兰籽蝽样本聚类更近，表明细菌可能从猎物向捕食者转移。淡缘姬蝽的微生物组在不同饮食间变异更大，而绿兰籽蝽的微生物组相对稳定。两种昆虫的细菌群落组成均因饮食不同而发生显著变化，这与不同食物需要特定微生物协助消化和营养补充的假设一致。
研究结论强调，北极昆虫的微生物组具有高度动态性，受到物种特性、季节变化、温度、湿度和饮食等多重因素的综合调控。这些发现不仅揭示了微生物组在极地昆虫环境适应中的重要作用，也为理解气候变化背景下极地生态系统的响应机制提供了新视角。特别值得注意的是，研究中发现的多种潜在共生菌（如Candidatus Schneideria nysicola、Candidatus Karelsulcia muelleri等）可能为昆虫在营养有限的北极环境中提供关键适应性优势。该研究填补了极地昆虫微生物生态学的研究空白，为预测极地生物对气候变化的响应提供了重要科学依据。
