2021-05-08
期刊：《mSystems》
影響因子：6.633
最近，派森諾生物與中國林業科學研究院亞熱帶林業研究所合作，在《mSystems》上發表科研成果，對茶籽象鼻蟲的腸道菌群進行了研究。研究發現以茶花種子為食的茶籽象鼻蟲腸道菌群受植物次生代謝產物的影響，且含有豐富的茶皂素降解基因，多種微生物共生體更是以茶皂素作為碳源和氮源，從而介導了茶皂素的降解。這一結果有助于從微生物組的角度，為闡明樹木化學物質防御機制提供新的研究思路。
研究背景
植物對于草食動物的防御主要是通過物理形態防御（如韌性、乳膠、毛狀體、表面蠟質等）和化學物質防御（如生物堿、萜類、心甾醇內酯、硫代葡萄糖苷和草酸鹽等）共同完成的，同時草食動物也會進化出相對應的“進攻”策略。山茶屬植物是具有重要經濟價值和營養價值的多年生作物，山茶樹在亞洲、非洲和拉丁美洲等34個國家被廣泛種植。目前已有超過1000種節肢動物將山茶植物作為食物資源加以利用，但由于山茶種子中含有豐富的皂苷和咖啡因、茶氨酸、兒茶素等生物活性物質，很少有物種能以山茶種子為食。
然而，茶籽象鼻蟲卻可以在種子中取食并完成幼蟲階段的發育。茶籽象鼻蟲幼蟲以各種茶花植物為食，這表明茶籽象鼻蟲有能力抵抗山茶樹釋放化學物質的毒力作用。一般而言，草食動物進化出了不同的機制來規避植物防御系統的毒力作用，其中昆蟲用來分解食物毒素的策略之一就是依賴于體內共生的微生物組。有研究表明，草食昆蟲的腸道微生物組是降解植物化學物質毒力的重要媒介，但是關于茶籽象鼻蟲共生菌群的研究資料還很匱乏，其是否參與化解茶花種子中有毒化合物還不明確。
研究方法
1. 探究植物次生代謝物及其濃度對茶籽象鼻蟲幼蟲腸道微生物群落的影響。
測序平臺：Illumina MiSeq PE250；
測序模式：微生物組16S rRNA基因V3-V4區；
研究設計：共計205例樣本，分為6組，分別為對照組、茶皂素處理組、茶氨酸處理組、單寧酸處理組、EGCG處理組和咖啡因處理組，同時每組設置不同濃度梯度。
2. 探究不同茶樹種子宿主對茶籽象鼻蟲幼蟲腸道微生物群落的影響。
測序平臺：Illumina MiSeq PE250；
測序模式：微生物組16S rRNA基因V3-V4區；
研究設計：共計18例樣本，分為3組，分別為油茶種子組、野茶種子組和紅花油茶種子組。
研究結果
在5種植物次生代謝產物作用下，茶籽象鼻蟲幼蟲腸道菌群OTU數量和優勢菌種類發生了變化。在茶皂素和茶氨酸處理組中，Bacillus、Gammaproteobacteria和Betaproteobacteria占優勢；而在EGCG和咖啡因處理組中，以Bacillus和Gammaproteobacteria為主。茶皂素處理組中，茶籽象鼻蟲幼蟲腸道菌群組成在不同濃度處理下出現了顯著的梯度變化。Alpha多樣性分析發現，茶皂素處理組的Shannon指數是最低的，和其他處理組之間具有顯著差異。PCoA分析發現，茶皂素組樣本在第一個坐標軸上的偏移幅度較大，表明化學物質和化學物質濃度是影響腸道菌群的主要因素。
為了檢測茶皂素含量是否會影響幼蟲的發育進程，本研究對三種茶樹種子中幼蟲的發育進行了監測。結果表明，在幼蟲發育到以蛹期幼蟲的型態退出果實前，油茶種子中的茶籽象鼻蟲幼蟲體重與其他兩種茶樹種子中幼蟲的體重相比，具有顯著的差異，發育速度要快得多。
多樣性組成譜測序分析表明，寄生在不同茶樹種子中的茶籽象鼻蟲幼蟲腸道菌群組成可歸屬于35個細菌門，其中相對豐度最高的3個門分別是變形菌門(82.67%)、厚壁菌門(9.127%)和擬桿菌門(5.51%)，占總相對豐度的97.30%。以不同茶樹種子為食的幼蟲擁有一個共同的核心微生物群，但也含有獨特的微生物組，菌群組成多樣性之間具有顯著的差異性。
聚類熱圖分析發現23個OTUs在中高濃度的茶皂素處理組中顯著富集，Phenylobacterium、Amycolatopsis、Sediminibacterium和Ochrobactrum是降解茶皂苷的優勢菌群，與Erwinia、Ochrobactrum、Lactococcus spp之間存在相互抑制關系。隨著茶皂素濃度的增加，Micrococcus、Bacillus、Lactococcus和Cupriavidus的豐度均增加，而Erwinia、Serratia、Enterobacter、Proteus、Citrobacter和Salmonella豐度降低。功能預測分析發現，隨著茶皂素濃度的增加，茶皂素相關代謝途徑發生變化（異生物降解和代謝、核苷酸代謝、萜類和聚酮類代謝、氨基酸代謝、脂類代謝、碳水化合物代謝、其他次級代謝產物的生物合成和氨基酸代謝），然而輔助因子、維生素和聚糖的生物合成代謝途徑被抑制。
研究進一步使用曼哈頓圖來展示OTU數量和物種組成的差異，從而確定介導茶皂苷降解的核心微生物。在茶皂素處理組中共篩選出OTUs共209個，其中9個OTUs顯著富集，分別為沙雷氏菌、乳球菌、氣單胞菌和不動桿菌。
研究結論
腸道菌群在昆蟲-植物互作中發揮重要作用。本研究以山茶屬植物果實和茶籽象鼻蟲作為研究對象，探討茶皂素等有毒的植物次生代謝產物對專食性昆蟲發育和適應關系的影響。研究結果表明茶果中茶皂素含量對回接的茶果象鼻蟲的生長發育產生顯著負面影響，茶果象鼻蟲腸道菌群明顯被寄主植物塑形。同時通過體外培養的方式證實腸道菌群對茶皂素具有顯著的降解能力。研究結果為深入理解專食性昆蟲寄主抗性適應機制提供了新的信息。
