Developmental stages and gut microenvironments influence gut microbiota dynamics in the invasive beetle Popillia japonica Newman (Coleoptera: Scarabaeidae)

發育階段和腸道微環境影響入侵甲蟲 Popillia japonica Newman（鞘翅目：Scarabaeidae）的腸道微生物群動力學

來源：Environmental Microbiology (2019) 21(11), 4343–4359

 

摘要概括

本研究系統性地探究了入侵性甲蟲日本金龜子（Popillia japonica）在其整個生命周期（幼蟲、蛹、成蟲）和不同腸道區域（前腸、中腸、后腸）中，其腸道微生物群的起源、穩定性和更替。研究結果表明，土壤微生物是幼蟲腸道細菌的一個重要來源。然而，隨著昆蟲的發育，其腸道微生物群的豐富度和多樣性顯著下降（例如，從幼蟲到成蟲，OTU數量從~336降至~99），群落組成也發生巨大變化。 Notably，只有16.75% 的幼蟲期土壤細菌能持續存留到成蟲階段。研究進一步發現，不同腸道區域的微環境（如pH、氧氣可用性、氧化還原電位）是塑造微生物群落組成的關鍵因素。此外，日本金龜子在所有發育階段都保有一個穩定的核心細菌群落，主要由已知能降解植物材料的類群組成，包括Ruminococcacae、Christensenellaceae和Lachnospiraceae家族。有趣的是，Christensenellaceae此前僅在人類腸道中發現，但本研究發現日本金龜子攜帶的該類群屬于該家族中不同的分類進化枝。這些發現揭示了宿主發育、腸道微環境與微生物群落組裝之間復雜的相互作用。

研究目的

本研究旨在深入探究以下三個核心問題：

 

起源與穩定性：日本金龜子的腸道菌群是穩定遺傳的“核心 microbiota”，還是在每個發育階段從周圍環境（幼蟲棲息的根際土壤 vs. 成蟲活動的空中環境）選擇性招募的？

發育動態：腸道菌群是否在胚胎后發育階段（幼蟲、蛹、成蟲）之間穩定維持，還是會因昆蟲發育（如變態）而發生重大的菌群更替？

 

微環境影響：腸道內不同的微環境（不同區段） 是否影響并塑造了微生物群落的結構？

 

研究思路

研究團隊遵循了嚴謹的“樣本采集-高通量測序-物化測量-多維度分析”思路：

 

樣本采集與分組：從意大利入侵種群中采集日本金龜子的不同發育階段（L1, L2, L3幼蟲，蛹，雄/雌成蟲）以及其棲息地的土壤樣本。將每個發育階段的腸道解剖為前腸、中腸、后腸三個區段進行研究。

微生物群落解析：對所有樣本進行16S rRNA基因擴增子測序，獲得微生物的組成和多樣性數據。通過生物信息學分析（如Alpha/Beta多樣性分析、隨機森林分類、指示物種分析）比較不同發育階段和不同腸道區段的微生物群落差異。

環境因子測量：使用丹麥Unisense微電極原位測量幼蟲和成蟲各腸道區段的pH、氧氣濃度（pO?）和氧化還原電位，以量化其微環境差異。

關聯性分析：將獲得的微生物群落數據與測得的物理化學參數進行統計學關聯分析（如NMDS擬合分析），以揭示微環境因子對微生物群落結構的塑造作用。

 

核心菌群鑒定：通過比較分析，鑒定出在所有發育階段中穩定存在的核心微生物類群，并探討其潛在功能。

 

測量數據及其研究意義

 

微生物群落Alpha多樣性數據（豐富度與多樣性）

 

數據來源：正文中的Table 1 和 Supporting Information Fig. S2 展示了各樣本的Chao1（豐富度）、Shannon（多樣性）和Pielou（均勻度）指數。

 

研究意義：數據顯示，土壤的微生物豐富度和多樣性最高。在昆蟲體內，幼蟲期的微生物多樣性最高，而成蟲期最低。這表明在發育過程中，昆蟲腸道對微生物進行了強烈的選擇性篩選，蛹期是一個關鍵的瓶頸階段。

 

微生物群落Beta多樣性數據（群落結構差異）

 

數據來源：圖2A 的NMDS分析圖展示了不同樣本微生物群落結構的差異。

 

研究意義：圖2A 清晰顯示，土壤樣本與所有昆蟲樣本明顯分離。在昆蟲樣本中，幼蟲和成蟲的菌群結構顯著不同，而蛹的菌群則散布在兩者之間，再次證明蛹期是菌群重組的過渡階段。此外，同一昆蟲的不同腸道區段也形成了獨立的簇，表明腸道位置對菌群結構有重大影響。

 

微生物群落組成數據（門、綱、科水平）

 

數據來源：圖3 的柱狀圖展示了在不同發育階段（B）和不同腸道區段（C）的優勢菌門和菌科的相對豐度。

 

研究意義：圖3B 顯示，從幼蟲到成蟲，放線菌門（Actinobacteria）的豐度下降，而擬桿菌門（Bacteroidetes）的豐度上升。圖3C 表明，從土壤到昆蟲后腸，厚壁菌門（Firmicutes）的豐度顯著增加。這揭示了微生物群落隨宿主發育和腸道環境的動態演替規律。

 

腸道物理化學環境數據（pH, pO?, Redox）

 

數據來源：Supporting Information Fig. S5 和 圖2B 的向量展示了使用Unisense微電極測得的幼蟲和成蟲各腸段的pH、氧氣濃度和氧化還原電位值。

 

研究意義：這些原位測量數據是連接“結構”與“功能”的橋梁。測量發現成蟲中腸氧氣濃度波動較大，而后腸則嚴格厭氧；幼蟲中后腸呈堿性。圖2B 的NMDS擬合分析進一步表明，幼蟲菌群結構與pH顯著相關（R2=0.75），而成蟲菌群結構與氧氣濃度（R2=0.54）和氧化還原電位（R2=0.74）顯著相關。這直接證明了不同的腸道微環境是驅動微生物群落空間分異的關鍵物理化學 force。

 

核心與特征微生物類群數據

 

數據來源：圖1B 的維恩圖展示了不同發育階段與土壤共享的OTU數量；圖4 的TEA分析展示了在昆蟲腸道中顯著富集的細菌家族。

 

研究意義：圖1B 表明昆蟲與土壤共享的OTU很少，證明腸道菌群是高度選擇性的。圖4 的TEA分析發現，Ruminococcacae、Christensenellaceae和Lachnospiraceae 等家族在昆蟲腸道中顯著富集，而這些菌在土壤中幾乎不存在。這些菌是已知的纖維素降解菌，它們的富集表明其可能在幫助宿主消化植物材料方面扮演著關鍵共生角色，構成了日本金龜子的核心功能菌群。

 

研究結論

本研究得出以下核心結論：

 

日本金龜子的腸道微生物群是動態變化的。土壤是幼蟲菌群的重要來源，但宿主發育階段和腸道區段是比土壤來源更強大的菌群塑造力。

蛹期是菌群更替的關鍵瓶頸，導致幼蟲的大量菌群丟失，成蟲菌群需要重新組裝或從少量保留的核心菌群發展而來。

腸道內不同的物理化學微環境（pH, O?, Redox） 是導致微生物群落空間分布差異的主要驅動因素。

 

盡管菌群動態變化，日本金龜子仍保有一個穩定的核心菌群（如Ruminococcacae, Christensenellaceae, Lachnospiraceae），這些菌群可能通過提供降解植物纖維素的功能，在宿主的入侵成功和適應性中發揮重要作用。

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀

在本研究中，使用丹麥Unisense微電極原位測量的pH、氧氣濃度（pO?）和氧化還原電位數據（Supporting Information Fig. S5 和 圖2B）具有至關重要的作用，其研究意義主要體現在以下幾個方面：

 

提供了腸道微環境的直接、原位定量證據：傳統方法需要將腸道內容物擠出測量，這會改變其真實的化學狀態。Unisense微電極的尖端極其微小（50μm），可以精確插入完整的腸道組織中進行實時測量，獲取了最接近生理狀態的真實數據。這些數據首次定量揭示了日本金龜子不同腸段是一個高度異質性的化學梯度系統（如成蟲前腸可能微需氧，而后腸嚴格厭氧），為解釋微生物的空間分布提供了最直接的環境背景。

將微生物生態分布與具體的環境驅動因子直接鏈接：本研究沒有停留在觀察到“菌群不同”的現象上，而是通過Unisense電極測得了“為何不同”的原因。通過圖2B 的NMDS擬合分析，研究將菌群結構數據與物理化學數據進行了統計關聯。結果顯示，幼蟲腸道的高pH值是其菌群結構的主要塑造者，而成蟲腸道菌群則主要受氧氣水平和氧化還原電位的控制。這種定量化的關聯性分析極大地增強了結論的說服力，從“相關”推進到了“機理”闡釋的層面。

其高空間分辨率揭示了傳統方法無法獲取的微米級梯度信息：Unisense微電極不僅能測量不同腸段之間的差異，還能在單個腸段內進行徑向掃描（從腸腔中心到腸壁）。雖然本文未展示徑向梯度圖，但該方法本身具備此能力。這種高空間分辨率使得研究者能夠探究更微觀的生境差異，理解微生物在微米尺度上的分布規律，這是任何混合取樣檢測方法都無法實現的。

 

為理解宿主-微生物共生互作的進化提供了關鍵見解：測量數據表明，宿主通過進化出具有不同物理化學特性的腸道結構（如厚壁、分泌特定離子），主動地塑造了不同的微環境。這些微環境繼而選擇性地富集了能在此環境下生存并具有特定功能（如厭氧發酵）的微生物。因此，Unisense電極的數據從功能生態學的角度證明，宿主的“硬件”（腸道解剖結構和生理）和“軟件”（微生物組）是協同進化的，共同構成了一個高效的消化系統，這可能是日本金龜子能適應多種植物、成功入侵的關鍵。

 

綜上所述，丹麥Unisense微電極在本研究中扮演了“環境偵探”和“機理驗證者”的關鍵角色。它提供的原位、高精度、定量的物理化學數據，成功地將抽象的“腸道分區”概念轉化為具體且可測量的環境參數，并令人信服地揭示了這些參數是驅動微生物群落組裝和功能分化的核心機制。沒有這些數據，本研究關于“微環境塑造菌群”的結論將停留在推測層面，其科學價值和深度將大打折扣。