《Frontiers in Insect Science》：Diet-associated variation in the midgut bacterial communities of Loxostege sticticalis larvae fed botanically distinct host plants
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摘要
引言：肠道微生物群（gut microbiota）可影响昆虫的生理与生态互作，但植物学上截然不同的寄主植物如何影响多食性昆虫的肠道细菌群落，目前仍知之甚少。
方法：研究人员利用16S rRNA基因测序技术，比较了取食三种不同属寄主植物或人工饲料的草地螟（
摘要
引言：肠道微生物群（gut microbiota）可影响昆虫的生理与生态互作，但植物学上截然不同的寄主植物如何影响多食性昆虫的肠道细菌群落，目前仍知之甚少。
方法：研究人员利用16S rRNA基因测序技术，比较了取食三种不同属寄主植物或人工饲料的草地螟（Loxostege sticticalis）幼虫中肠细菌群落。比较了不同饲料处理间的细菌多样性、群落组成、差异分类群及预测功能谱。
结果：饲料处理与肠道细菌群落结构差异相关。苜蓿（MS）组表现出较高的细菌丰富度与多样性，而藜（CA）组细菌群落相对简化。基于Bray–Curtis距离的主坐标分析（PCoA）与置换多元方差分析（PERMANOVA）显示，各饲料处理间群落组成存在显著整体差异，但精确两两PERMANOVA检验均不显著。厚壁菌门（Bacillota）与变形菌门（Pseudomonadota）在各处理中占优势，而MS组中放线菌门（Actinomycetota）相关类群比例升高。线性判别分析效应大小（LEfSe）鉴定出放线菌门相关类群为MS组特征，厚壁菌门相关类群为人工饲料（AD）组特征。PICRUSt2预测显示各饲料处理间功能潜力存在差异，涉及氨基酸代谢、辅因子与维生素代谢、外源物质降解与代谢等通路。
讨论：结果表明草地螟肠道细菌群落存在与饲料相关的变异，为后续饲料–微生物互作研究提供了描述性基础。由于每处理仅包含3个合并生物学重复，且未表征植物相关微生物群或植物化学特性，所观察到的关联及预测功能不应被解读为特定微生物机制或寄主适应的证据。
论文解读
一、研究背景与意义
肠道微生物群可影响昆虫的多个生物学方面。在植食性昆虫中，肠道相关微生物可能参与食物消化、营养获取、免疫调节、病原抵抗以及植物防御化合物的代谢或耐受。然而，昆虫相关微生物群落并非固定不变，其多样性与组成可能随寄主系统发育、饲料、发育阶段、栖息地及其他环境条件而变化。此外，肠道微生物的功能重要性在不同昆虫谱系间差异显著。部分昆虫维持稳定的共生细菌，提供必需营养或参与发育与防御，而许多鳞翅目幼虫则携带相对稀疏、环境获得的群落，可能缺乏持久驻留的肠道微生物组。
在影响肠道微生物群的诸多因素中，饲料是最直接的因素之一，因为摄入的食物改变肠道理化条件，并提供营养、植物次生代谢物及食物相关微生物。近年研究日益认识到，寄主植物可能通过影响肠道细菌群落间接影响昆虫生理与生态表现，植物表面及内部组织的微生物在摄入后也可能短暂存留。因此，寄主植物既可通过肠道内选择性条件，也可通过被动获取食物相关细菌来塑造肠道细菌群落。
然而，现有研究仍存在若干关键问题。多数研究比较的是近缘作物物种或较窄范围的寄主植物，难以区分一般性寄主植物效应与物种特异性反应。不同属的寄主植物能否影响并塑造昆虫肠道细菌群落，而非仅代表食物来源微生物的短暂输入，仍不清楚。这一空白在草地螟（Loxostege sticticalis）中尤为明显。草地螟是一种经济重要的多食性害虫，可利用分类学上多样的寄主植物，但对其跨植物学上不同寄主的系统比较仍缺乏。
二、研究内容与结论
本研究利用16S rRNA基因扩增子测序，比较了取食三种不同属寄主植物及人工饲料的草地螟幼虫肠道细菌群落，分析了各饲料处理间的细菌多样性、群落组成及预测功能谱。研究旨在评估不同属寄主植物是否与幼虫肠道细菌群落的稳定差异相关，包括细菌多样性、分类组成及预测功能。研究结果为理解草地螟饲料相关肠道微生物群变异提供了基础，并为后续饲料–微生物互作研究奠定基础。
三、关键技术方法
研究人员建立了室内草地螟种群，成虫采自中国内蒙古自治区呼和浩特。设置四种饲料处理：藜（Chenopodium album，CA）、紫花苜蓿（Medicago sativa，MS）、甜菜（Beta vulgaris，BV）及人工饲料（AD）。藜采自实验田，苜蓿与甜菜经水培种植。同批卵孵化后幼虫随机分配至四种饲料处理。于5龄幼虫期选取外部健康个体取样，每处理3个合并生物学重复，每重复含20只幼虫中肠。采用CTAB法提取DNA，扩增16S rRNA基因V3–V4高变区，经Illumina平台双端测序。生物信息学分析使用QIIME 2及DADA2插件生成扩增子序列变异（ASV）表，基于SILVA 138数据库注释分类。Alpha多样性采用Chao1、Shannon、Simpson及Pielou均匀度指数评估，组间差异用单因素方差分析（ANOVA）及Tukey HSD事后检验。Beta多样性基于Bray–Curtis距离进行主坐标分析（PCoA），组间差异用PERMANOVA检验，多元离散度用PERMDISP评估。差异分类群用LEfSe鉴定，功能预测用PICRUSt2推断KEGG通路谱。
四、研究结果
4.1 测序与分类概述
12个合并中肠样本共获得1,216,636条原始读段，质控及去嵌合后保留985,571条高质量读段。按公共最小测序深度稀疏化后，全数据集保留1,738个唯一ASV。稀疏曲线随测序深度增加趋近平台期，表明测序深度足以捕获大部分ASV丰富度。
4.2 肠道细菌群落多样性
Alpha多样性指标在饲料处理间存在差异。MS组Chao1丰富度与Shannon多样性显著高于AD、BV及CA组。均匀度与Simpson多样性方面，MS与AD同属一个显著性组且无显著差异，CA低于MS与AD，BV与各组均无显著差异。Beta多样性方面，Bray–Curtis PCoA第一、第二主坐标分别解释34.6%与25.9%的总变异。PERMDISP未检测到处理间多元离散度显著异质性。整体PERMANOVA检测到显著的饲料相关群落组成差异，但所有精确两两检验均不显著，反映每处理仅3个合并重复的解析力有限。
4.3 肠道细菌群落组成
门水平上，厚壁菌门（Bacillota）与变形菌门（Pseudomonadota）为各处理优势类群，但相对比例随饲料而异。AD与BV组门水平谱相似；CA组厚壁菌门强烈优势，变形菌门相对丰度较低；MS组门水平组成更多样，放线菌门（Actinomycetota）及其他次要门相对丰度升高。属水平上，MS组多个属相对丰度较高，包括短小杆菌属（Curtobacterium）、甲基杆菌属（Methylobacterium）、谷氨酸杆菌属（Glutamicibacter）、双歧杆菌属（Bifidobacterium）、链球菌属（Streptococcus）及棒状杆菌属（Corynebacterium）。AD组肉杆菌属（Carnobacterium）、沙雷氏菌属（Serratia）及变形杆菌属（Providencia）相对丰度较高。BV组克雷伯氏菌属（Klebsiella）、寡养单胞菌属（Stenotrophomonas）及肠杆菌属（Enterobacter）在特定重复中相对丰度较高。CA组热图中多数属相对丰度较低，优势分类群较少。
LEfSe分析仅在MS与AD组检测到满足P < 0.05且LDA > 4.0的差异分类群。MS组特征主要为放线菌门相关类群，包括门水平放线菌门、纲水平放线菌纲（Actinobacteria）、目水平分枝杆菌目（Mycobacteriales）、科水平棒状杆菌科（Corynebacteriaceae）、属水平棒状杆菌属及种水平Corynebacterium sputi。AD组差异特征主要属厚壁菌门及芽孢杆菌纲（Bacilli）。CA与BV组无分类群同时满足两项阈值。
4.4 预测功能谱
KEGG Level 1水平，代谢为各处理最优势预测功能类别，其次为遗传信息处理、细胞过程、人类疾病、环境信息处理及生物体系统。Level 2水平，组间显著差异的类别包括氨基酸代谢、萜类与聚酮类代谢、外源物质降解与代谢、碳水化合物代谢、核苷酸代谢、聚糖生物合成与代谢、辅因子与维生素代谢及其他氨基酸代谢。MS组氨基酸代谢及萜类与聚酮类代谢预测相对丰度较高，CA组碳水化合物代谢、核苷酸代谢及聚糖生物合成与代谢预测相对丰度较高，AD与BV组在辅因子与维生素代谢等特定通路呈现局部高丰度。
五、讨论与结论
讨论部分指出，饲料处理与草地螟中肠细菌群落的多样性、组成及预测功能谱变异相关，类似现象在其他植食性鳞翅目昆虫中亦有报道。MS组较高的细菌丰富度与多样性可能与紫花苜蓿在营养成分、次生代谢物及食物相关微生物方面的差异有关。CA组相对较低的多样性可能反映植物来源化合物的选择性效应或饲料特性差异。由于未表征寄主植物表面及内部组织细菌群落，无法确定观察到的肠道细菌差异在多大程度上来自食物相关微生物的直接获取，抑或饲料营养或化学特性的选择性效应。已有研究表明这两种过程并非互斥，饲料可影响鳞翅目昆虫肠道细菌群落，而非仅被动获取食物微生物。
整体PERMANOVA显著而两两检验均不显著，反映每处理3个合并重复的比较解析力有限。门水平分析支持饲料与肠道细菌群落结构的关联，厚壁菌门与变形菌门为优势门，与鳞翅目昆虫既往报道一致。放线菌门相关类群在MS组富集，可能与食物来源微生物输入或肠道环境选择性条件差异有关，但分类差异本身不能证明特定生态功能。
PICRUSt2预测功能谱显示组间差异，代谢相关通路占最大比例。MS组氨基酸代谢及萜类与聚酮类代谢预测丰度较高，CA组碳水化合物代谢、核苷酸代谢及聚糖生物合成与代谢预测丰度较高。类似模式在梨小食心虫（Grapholita molesta）及草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda）等鳞翅目昆虫中亦有报道。但PICRUSt2基于16S rRNA分类谱推断功能潜力，而非直接测量微生物基因、转录本、代谢物或酶活性，既往基准研究亦显示其推断准确性在不同样本类型与功能类别间差异较大。实验饲料的营养组成与次生代谢物未定量，观察到的通路差异应视为未经验证的预测功能潜力差异，而非微生物特化、解毒、营养供给或寄主适应的证据。
结论部分总结，通过比较三种植物学上不同的寄主植物与人工饲料，本研究为草地螟饲料相关肠道细菌群落变异提供了比较框架。细菌多样性、群落组成、差异分类群及预测功能谱的差异表明，不同饲料与该多食性昆虫的独特微生物组模式相关。MS组较高的细菌多样性及放线菌门相关类群比例增加，连同处理相关的预测功能潜力差异，确定了值得进一步研究的微生物特征。解释应限于当前实验设计范围内，因为每处理仅3个合并生物学重复，植物表面微生物群与植物化学组成未直接表征，PICRUSt2功能谱亦为预测而非实验验证的微生物功能。本研究结果支持饲料相关的肠道细菌群落结构与预测功能潜力差异，但未确立微生物特化或寄主适应的具体机制。未来研究整合植物相关微生物群、植物化学、宏基因组学、代谢组学及寄主表现测量，将有助于确定本研究所鉴定微生物模式的功能意义。
