《Ecology and Evolution》：Gut Microbiomes of Two Bamboo Locusts Reveal Divergent Metabolic Potentials
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摘要翻译：
黄脊竹蝗（*Ceracris kiangsu*）和青脊竹蝗（*Ceracris nigricornis*）是中国两种常见的取食竹类的林业害虫。*C. kiangsu*具有更强的迁飞能力并造成更严重的危害，然而关于二者肠道微生物群的比较研究仍然缺乏。
摘要翻译：
黄脊竹蝗（*Ceracris kiangsu*）和青脊竹蝗（*Ceracris nigricornis*）是中国两种常见的取食竹类的林业害虫。*C. kiangsu*具有更强的迁飞能力并造成更严重的危害，然而关于二者肠道微生物群的比较研究仍然缺乏。本研究利用16S rRNA基因扩增子测序（Illumina MiSeq平台）分析了来自6个地理种群的雌性*C. kiangsu*肠道微生物群落，并将这些数据与从NCBI公共数据库获取的雌性*C. nigricornis*肠道微生物组数据集进行了比较。在门水平上，两种竹蝗的肠道微生物群均以厚壁菌门（Firmicutes）和变形菌门（Proteobacteria）为主。在属水平上，优势类群包括克雷伯氏菌属（*Klebsiella*）和丛毛单胞菌属（*Achromobacter*）。尽管存在这些相似性，两种竹蝗在微生物多样性上存在显著差异。Alpha多样性指数显示丰富度和多样性存在极显著差异（p?论文解读：
**研究背景与科学问题**
昆虫肠道是消化、营养吸收和排泄的重要场所，同时栖息着大量微生物，这些共生微生物与宿主形成紧密联系，参与营养获取和免疫防御等关键生理过程。随着高通量测序技术的快速发展，昆虫肠道微生物组已成为活跃的研究领域。在直翅目昆虫中，肠道微生物研究近年来逐渐增多，但对竹蝗属（*Ceracris*）的研究仍然有限。
黄脊竹蝗（*Ceracris kiangsu*）和青脊竹蝗（*Ceracris nigricornis*）是中国最具破坏性的两种竹蝗害虫。*C. kiangsu*具有更广泛的生态耐受性和更高的适合度，能够进行长距离扩散并获取新资源，进入新栖息地后常与占据相似生态位的近缘种（如*C. nigricornis*）激烈竞争并成为优势种。值得注意的是，*C. kiangsu*是首个被报道具有“吸食泥浆”（mud-puddling）行为的直翅目昆虫，这一行为可能有助于补充矿物质。凭借其强大的环境适应能力，该物种已成为竹林的主要威胁，被称为中国第二大森林害虫。然而，目前缺乏从肠道微生物组角度解释*C. kiangsu*为何趋于优于*C. nigricornis*的证据。
植食性昆虫肠道微生物群落的组成受宿主特征、饮食、环境条件和微生物传播过程的影响，而近缘种因共享相似资源和生态位可能竞争激烈。除宿主基因组差异外，共生肠道微生物也可能影响宿主适合度和生态表现。已有研究表明，肠道微生物群在不同昆虫物种间存在差异，也可在不同发育阶段发生变化。在蝗虫中，优势肠道细菌常属于变形菌门（Proteobacteria）和厚壁菌门（Firmicutes）。这些观察表明厚壁菌门和变形菌门在昆虫肠道中广泛分布且常占优势。
对于*Ceracris*属，现有证据仍然匮乏。Huang等（2021）的一项研究检测了取食竹类昆虫与寄主植物的关系，报道宿主进化史和饮食可塑造肠道微生物群落。鉴于*C. kiangsu*和*C. nigricornis*之间明显的生态差异，研究人员假设二者的肠道微生物群在组成和预测功能上也存在差异，且这些差异可能有助于*C. kiangsu*更强的扩散能力和生态表现。
**主要技术方法**
研究人员从中国六个地点采集成年雌性黄脊竹蝗（*Ceracris kiangsu*）：云南西双版纳勐腊、广东肇庆广宁、广西桂林兴安、湖南郴州苏仙区、湖南益阳桃江和湖北咸宁赤壁。每个地点设置五个重复样本，每个样本包含三头成年雌虫。作为对比，从NCBI数据库（编号DRA009676）下载成年雌性青脊竹蝗（*Ceracris nigricornis*）的16S rRNA基因扩增子原始测序数据，原始标本采集自浙江临安。两种数据使用相同的生物信息学流程重新处理，包括质量过滤、双端拼接、OTU聚类（97%相似度）、物种注释和功能预测。V3–V4区扩增使用338F/806R引物，在Illumina MiSeq平台进行PE300双端测序。功能预测使用PICRUSt2版本2.2.0。Alpha多样性指标使用mothur计算，组间差异用Wilcoxon秩和检验评估；Beta多样性基于Bray–Curtis距离进行主坐标分析（PCoA）和非度量多维尺度分析（NMDS），组间差异用PERMANOVA检验。差异物种通过LEfSe分析（LDA阈值>4，p<0.05）鉴定。
**研究结果**
3.1 肠道微生物组多样性景观
Illumina MiSeq测序从*C. kiangsu*的30个肠道样本中产生1,368,262条高质量序列，平均每样本45,609条序列。*C. nigricornis*获得1,069,683条高质量序列。在97%序列相似度阈值下，共鉴定出1518个细菌OTU。两种竹蝗在OTU丰富度上差异显著：*C. kiangsu*含有362个OTU，而*C. nigricornis*含有1290个OTU，仅134个OTU为两者共有，表明*C. nigricornis*的细菌丰富度显著更高。Alpha多样性分析显示，丰富度指标（Sobs、Chao1、ACE）和多样性指数（Shannon、Simpson）在两种竹蝗间差异极显著（Wilcoxon检验，p<0.01）。Beta多样性分析显示物种间明显分离：PCoA聚类按物种分组且重叠极小，NMDS同样显示不同的群落结构（stress=0.05），PERMANOVA确认组间差异显著（p<0.001）。这些结果一致表明两种竹蝗的肠道微生物组存在显著差异，支持宿主物种身份是昆虫肠道微生物组结构主要驱动因素的已有发现。
3.2 肠道微生物群分类组成的差异
在门水平上，两种竹蝗的微生物群均以Firmicutes和Proteobacteria为主，但比例差异很大。*C. kiangsu*中Firmicutes占53.45%，Proteobacteria占46.35%，合计约占总群落的99.8%。*C. nigricornis*中Proteobacteria占优势（69.88%），Firmicutes仅占4.83%，放线菌门（Actinobacteriota）占2.90%。在属水平上，*C. kiangsu*的优势属包括乳球菌属（*Lactococcus*，35.55%）、丛毛单胞菌属（*Achromobacter*，28.53%）、魏斯氏菌属（*Weissella*，15.46%）、克罗诺杆菌属（*Cronobacter*，9.50%）和克雷伯氏菌属（*Klebsiella*，4.77%）。*C. nigricornis*的优势属包括*Klebsiella*（20.10%）、*Achromobacter*（14.77%）、鞘氨醇单胞菌属（*Sphingomonas*，9.23%）、肠杆菌属（*Enterobacter*，5.77%）和泛菌属（*Pantoea*，4.61%）。两种竹蝗共享多个主要属，但其排名和相对丰度差异显著。LEfSe分析（LDA>4，p<0.05）鉴定出多个分类水平上的显著差异类群，*C. nigricornis*表现出更多富集的判别性类群，特别是在放线菌门及其下属谱系中，与其较高的OTU丰富度一致。*C. kiangsu*中乳杆菌目（Lactobacillales）和肠杆菌科（Enterobacteriaceae）等与消化和宿主支持相关的类群占主导地位。
3.3 肠道微生物群的功能预测
PICRUSt2功能预测表明，两种竹蝗的预测功能均以代谢相关通路为主。在KEGG Level 1水平，代谢约占预测功能的75.8%。在KEGG Level 2水平，*C. kiangsu*在碳水化合物代谢、脂质代谢、膜转运、核苷酸代谢、翻译、复制与修复以及抗菌药物耐药性等7个功能类别上相对丰度显著较高；*C. nigricornis*在辅因子和维生素代谢、细胞运动性、氨基酸代谢、能量代谢、全局/总览图和次级代谢产物生物合成等6个类别上较高。在KEGG Level 3水平，*C. kiangsu*在13条通路上预测丰度显著较高，主要包括淀粉和蔗糖代谢、糖酵解/糖异生、磷酸戊糖途径、丙酮酸代谢、氨基糖和核苷酸糖代谢、嘌呤和嘧啶代谢、肽聚糖生物合成、磷酸转移酶系统（PTS）、核糖体、氨酰tRNA生物合成、错配修复和同源重组。*C. nigricornis*在7条通路上较高，包括广谱代谢通路、多种环境中的微生物代谢、双组分系统、氧化磷酸化、次级代谢产物生物合成、乙醛酸和二羧酸代谢以及碳代谢。这些预测功能表明两种宿主的微生物组存在不同的“策略”：*C. kiangsu*的微生物组更倾向于基础能量和营养代谢，特别是碳水化合物和脂质的加工；*C. nigricornis*的微生物组在广谱代谢和环境响应通路方面信号相对更强。
**讨论与结论**
研究人员指出，*C. kiangsu*的肠道微生物组在碳水化合物和脂质相关代谢通路上预测丰度更高这一发现值得关注，因为该物种具有相对较强的迁飞能力，而成虫据报道每天可飞行7.8公里。昆虫飞行对能量需求很高，可能依赖碳水化合物、脂质或两者兼用作主要能量底物。然而，PICRUSt2是基于16S rRNA基因分类谱推断功能潜力，并不直接测量微生物基因表达、酶活性、代谢物产生或宿主能量利用。此外，微生物分类组成和功能结构不一定平行变化，因为不同微生物类群可能拥有重叠的功能潜力。因此，这些发现应被视为产生假说的基础，而非肠道微生物群增强*C. kiangsu*飞行能力或生态竞争力的直接证据。
研究人员也承认研究存在局限性：两种数据集独立产生，测序前引入的技术变异无法完全消除；研究仅包含成年雌性；采样设计不完全平衡，*C. kiangsu*来自多个地理种群的混合样本，而*C. nigricornis*仅来源于单一群体；样本处理、饮食、环境、地理来源和采样设计的差异可能对观察到的微生物多样性和分类组成差异有所贡献。此外，97% OTU聚类相对于当前基于ASV的方法提供较低的精细序列分辨率，因此类群水平模式应谨慎解读。
综上所述，该研究揭示*C. kiangsu*和*C. nigricornis*在肠道微生物组成和预测功能上均存在显著差异。尽管*C. kiangsu*表现出较低的总体微生物多样性，其肠道微生物群在多个碳水化合物和脂质相关通路上表现出较高的预测丰度。这些差异产生了关于微生物与宿主能量代谢潜在关联的可验证假说。然而，由于这些功能是从16S rRNA基因谱推断而来，肠道微生物活性、飞行表现和生态适合度之间的直接联系仍有待实验验证。该研究为未来探究微生物组对两种竹蝗生态差异的潜在贡献提供了比较框架。
该论文发表在《Ecology and Evolution》。
