草地螟（Loxostege sticticalis）共生细菌群落的动态结构及其预测功能潜力

《Insects》：Bacterial Community Structural Dynamics and Predicted Functional Potential in Loxostege sticticalis

　　

摘要专业翻译 共生细菌有助于昆虫的生理活动和环境适应，然而在重要迁飞性害虫草地螟（Loxostege sticticalis）中，这些细菌的动态变化及其潜在功能仍知之甚少。研究人员对跨越发育阶段、组织与粪便样本以及环境条件的细菌群落组成、多样性和预测功能潜力进行了表征。在实验室饲养的昆虫中，Enterococcus和Staphylococcus从二龄到五龄幼虫期占优势，其预测功能强调碳水化合物和核苷酸代谢。成虫期则以Pseudoalteromonas和Asaia为主，其预测功能谱显示脂质和氨基酸代谢以及转运和分解代谢相关通路的相对丰度更高。一龄幼虫表现出类似成虫的群落结构。在样本类型中，Enterococcus在中肠占优势，而Staphylococcus在表皮和粪便中过度代表。表皮和粪便群落强调细胞过程和遗传信息处理，而中肠和其他内部组织群落则显示出更大的膜转运和代谢预测潜力。野外捕获的幼虫携带独特的群落，持续富集Stenotrophomonas和Ralstonia，其预测功能谱在后期龄期转向碳水化合物、氨基酸和脂质代谢以及环境适应。总体而言，这些发现表明L. sticticalis的共生细菌群落随发育、组织微生态位和环境条件显著变化，为宿主–微生物互作的进一步研究提供了基础。

论文解读

一、研究背景与科学问题

昆虫体内栖息着大量微生物，这些共生微生物可占宿主生物量的1%–10%，在宿主的营养获取、免疫调节、病原防御和环境适应等方面发挥重要作用。细菌作为昆虫共生微生物中丰度和功能贡献均占主导的类群，其群落结构和功能潜力受到发育阶段、组织微环境以及外界环境条件的多重影响。已有研究表明，昆虫肠道细菌群落随发育阶段动态变化，不同组织部位的细菌群落在组成和功能上存在显著差异，而实验室饲养与野外环境下的昆虫肠道微生物群落结构也往往迥异。

草地螟（Loxostege sticticalis L.）属鳞翅目（Lepidoptera）草螟科（Crambidae），是分布于中国北方、北亚、北美和东欧的迁飞性作物害虫，已被中国农业农村部列入2023年一类农作物病虫害名录。该害虫通过滞育和长距离迁飞在大范围地理区域内危害多种作物，寄主植物多达259种。暴发期间，聚集取食的幼虫可造成高达60%的作物损失，严重时甚至导致绝收。然而，此前对草地螟微生物群的研究主要集中于滞育相关的肠道微生物比较，其共生细菌群落的整体组织结构和功能角色仍缺乏系统认识。基于此，研究人员开展了本研究，旨在系统表征草地螟共生细菌群落在发育阶段、组织与粪便样本以及实验室和野外环境条件下的组成动态和预测功能潜力，为深入理解宿主–微生物互作关系及开发靶向共生细菌的害虫管理策略提供基础。

二、研究设计与关键技术方法

研究人员以中国农业科学院植物保护研究所提供的实验室草地螟种群为对象，成虫饲喂10%蜂蜜溶液，幼虫取食天然寄主植物灰绿藜（Chenopodium album L.）新鲜叶片，在22 ± 1 °C、70 ± 5%相对湿度、16:8 h光暗周期的环境条件下饲养。建立5个雌性品系，分别收集一至五龄幼虫、蛹期和成虫期的中肠样本，每个发育阶段设5个生物学重复。同时，以五龄幼虫为材料比较中肠、表皮、其他内部组织和粪便样本的细菌群落，每种样本类型设4个生物学重复。野外幼虫于2023年5月采集自内蒙古自治区锡林郭勒盟正镶白旗（42.210876° N, 114.891301° E）的灰绿藜植株，涵盖一至五龄，每龄5个生物学重复。

研究方法上，研究人员采用基于CTAB法的基因组DNA提取，扩增细菌16S rRNA基因V3–V4区并进行Illumina NovaSeq 6000平台高通量测序。测序数据经FLASH、Cutadapt、fastp和VSEARCH等工具进行质控和嵌合体去除，采用QIIME 2中的DADA2流程进行降噪并定义扩增子序列变体（ASV），基于SILVA v138.1数据库进行物种注释。多样性分析方面，利用Observed ASVs和Chao1指数评估丰富度，Shannon和Simpson指数评估多样性，采用加权UniFrac距离进行主坐标分析（PCoA）可视化β多样性，并以Bray–Curtis相异度进行置换多元方差分析（PERMANOVA）和多元离散度分析（PERMDISP）。微生物功能预测采用PICRUSt v1.1.4模块，以Greengenes v13.5为参考数据库，在KEGG Orthology（KO）框架下注释并汇总至KEGG level 2水平。

三、研究结果

3.1 草地螟肠道微生物群的发育动态及其预测功能潜力

研究人员从草地螟不同发育阶段的中肠样本中共获得3,493,422条高质量序列。α多样性分析显示，Shannon多样性和Chao1丰富度指数在不同发育阶段间存在显著差异，一龄幼虫和雄性成虫的多样性较高，三龄幼虫多样性最低。β多样性分析中，加权UniFrac PCoA显示一龄幼虫的群落与雌雄成虫紧密聚类，而二至四龄幼虫与蛹的群落更为相似。Bray–Curtis PERMANOVA检测到组间整体差异显著（R2 = 0.455，p = 0.001）。

在门水平上，Firmicutes在二至五龄幼虫中占优势，分别占群落的73.69%、95.08%、60.73%和79.62%；Proteobacteria在一龄幼虫和成虫中占优势，分别占一龄幼虫的70.35%、雌成虫的79.08%和雄成虫的75.68%。在属水平上，Enterococcus和Staphylococcus在二至五龄幼虫和蛹中占优势，其中Enterococcus在二、三、四、五龄幼虫和蛹中分别占52.73%、93.38%、21.37%、48.88%和31.31%；Staphylococcus在二、四、五龄幼虫中分别占19.10%、36.54%和28.06%。相比之下，一龄幼虫以Vibrio（18.67%）和Pseudoalteromonas（13.62%）为主，成虫群落则以Asaia、Vibrio和Pseudoalteromonas为主。

PICRUSt功能预测显示，一龄幼虫、蛹和成虫的预测功能谱聚类在一起，脂质和氨基酸代谢、转运和分解代谢以及神经、内分泌和排泄系统相关通路的预测相对丰度较高；而二至五龄幼虫的预测功能谱相似，碳水化合物和核苷酸代谢、翻译、复制和修复以及膜转运相关通路的预测相对丰度较高。

3.2 草地螟组织与粪便样本中细菌的分布及预测功能潜力

研究人员从中肠、表皮、粪便和其他组织中获得了1,589,754条高质量序列。α多样性分析显示，中肠的Shannon指数显著高于粪便，Chao1指数显著高于其他组织。加权UniFrac PCoA显示各样本类型间存在重叠，Bray–Curtis PERMANOVA检测到整体差异显著（R2 = 0.382，p = 0.008）。

在门水平上，Firmicutes在各样本类型中均占优势，分别占中肠、表皮、粪便和其他组织的41.78%、78.65%、92.34%和77.42%。在属水平上，Enterococcus在中肠占优势（14.77%），而Staphylococcus在表皮（67.55%）、粪便（90.01%）和其他组织（39.09%）中占优势。PICRUSt功能预测显示，中肠和其他组织的预测功能谱聚类在一起，膜转运、代谢以及转运和分解代谢相关通路以及免疫、内分泌、排泄和神经系统相关类别的预测相对丰度较高；表皮和粪便群落形成独立聚类，细胞过程和信号传导、翻译以及复制和修复相关通路以及感染性疾病相关类别的预测相对丰度较高。

3.3 野外草地螟肠道微生物群的动态及预测功能潜力

研究人员从野外幼虫肠道样本中获得2,050,195条高质量序列。α多样性分析显示，Shannon多样性在三龄幼虫中最高，一龄幼虫最低；Chao1指数从一龄到四龄逐渐升高，五龄时显著下降。加权UniFrac PCoA显示各龄期间无清晰分离，Bray–Curtis PERMANOVA未检测到龄期间的显著差异（R2 = 0.143，p = 0.669）。

在门水平上，Proteobacteria在一至五龄幼虫中均占优势，分别占一至四龄幼虫群落的77.89%、76.50%、78.45%和75.94%，在五龄幼虫中达到最高（93.91%）；Firmicutes在五龄幼虫中仅占0.39%，显著低于一至四龄（7.92%、7.64%、4.85%和6.84%）。在属水平上，Stenotrophomonas在所有五个龄期中均占优势，Ralstonia为第二优势属。Stenotrophomonas丰度在三龄幼虫中最低（22.64%），五龄最高（32.22%）；Ralstonia相对丰度从一龄到五龄逐渐升高，分别达到11.26%、11.79%、18.57%、22.13%和26.33%。

PICRUSt功能预测显示，一龄和二龄幼虫的预测功能谱聚类在一起，遗传信息处理和基础细胞代谢相关通路的预测相对丰度较高，包括能量和核苷酸代谢、翻译、复制和修复以及免疫系统功能相关类别，这些类别的预测相对丰度随发育而下降；而碳水化合物、氨基酸和脂质代谢相关通路在中后期龄期中预测相对丰度较高，聚糖生物合成与代谢、信号传导、环境适应、细胞运动和转运与分解代谢也呈现类似模式。

四、讨论与结论

研究表明，草地螟的细菌组成在实验室种群的发育过程中存在显著变化，组织与粪便样本间的多样性和关键属存在差异，实验室与野外种群的群落组成和预测功能明显不同。Enterococcus在幼虫期和蛹期的优势可能与其消化、微生物竞争和宿主防御功能相关，某些菌株具有蛋白水解活性，Enterococcus mundtii产生的细菌素mundticin KS可抑制入侵细菌。Asaia在成虫中的高丰度可能与其在糖饲昆虫中的关联有关。Staphylococcus在表皮和粪便中的优势提示其宿主定殖和潜在致病性值得进一步研究。野外幼虫中Stenotrophomonas的高丰度将其确定为研究杀虫剂抗性相关过程的候选属，该属菌株可高效降解β-氯氰菊酯；Ralstonia丰度随野外幼虫发育逐渐升高，在Dorcus hopei hopei中该属高丰度与外源生物降解和代谢的预测功能富集相关，提示其在解毒中的可能作用。

研究结论指出，草地螟相关细菌群落在发育阶段、组织与粪便样本以及实验室和野外条件之间表现出动态变化。宿主发育和环境条件与微生物群变异相关，实验室饲养与野外种群呈现不同的群落模式。组织与粪便样本间的差异进一步揭示了宿主相关细菌群落的空间异质性，强调了生态背景在理解昆虫–微生物群互作中的重要性。这些发现增进了对草地螟细菌群落变异的理解，并确定了若干值得进一步研究的微生物类群和预测功能。未来研究需阐明这些细菌的生态和生理角色及其与宿主发育和环境条件的关系。