近日，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院與德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校綜合生物學(xué)系聯(lián)合研究的一項(xiàng)非常有意思的成果：“Division of labor in honey bee gut microbiota for plant polysaccharide digestion（蜜蜂腸道微生物群對植物多糖消化的分工）”在線發(fā)表在Latest Articles | PNAS 期刊上，此研究揭示了蜜蜂后腸菌群與人類遠(yuǎn)端腸道菌群之間的相似之處。
在這兩種情況下，微生物群落都是在富含主要能源的植物多糖的環(huán)境中與宿主一起進(jìn)化的。對這種資源的獲取高度依賴于細(xì)菌降解和發(fā)酵多糖的能力。在兩種體系中，宿主都吸收多糖降解產(chǎn)生的短鏈脂肪酸。在這兩種情況下，不同的菌群對碳水化合物的利用和生物合成的貢獻(xiàn)是不同的。
niche specialization 生態(tài)位特化：是指在食物資源豐富的環(huán)境中，消費(fèi)者選食最習(xí)慣攝食的獵物或被食者的現(xiàn)象。當(dāng)食物豐富時(shí)，取食種類可能縮小，食性趨向特化，生態(tài)位變窄。
Bootstrap values 步長值：是指在你選擇的遺傳距離算法中，軟件根據(jù)所比對序列得到結(jié)果。比如 bootstrap value設(shè)置為1000，即軟件構(gòu)建了相應(yīng)的1000棵樹，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上顯示的bootstrap value 就是指在這1000次建樹過程中，有相應(yīng)次數(shù)的頻率在這個(gè)分枝內(nèi)的幾株菌或幾段序列在進(jìn)化速度上相似，一般認(rèn)為節(jié)點(diǎn)處的bootstrap value大于500時(shí)分析結(jié)果可信。
研究人員通過對細(xì)菌分離株的基因組和蜜蜂腸道微生物群的宏基因組分析，確定雙歧桿菌和 Gilliamella 菌是半纖維素和果膠的主要降解者，而Snodegrassella 菌和乳桿菌在多糖消化中幾乎或沒有起作用。雙歧桿菌和 Gilliamella 菌在與多糖消化相關(guān)的基因庫中都顯示出廣泛的菌群水平的多樣性。在雙歧桿菌中，編碼碳水化合物活性酶的基因位于專用于多糖利用的位點(diǎn)內(nèi)，例如人類腸道的擬桿菌。不論體外和體內(nèi)的實(shí)驗(yàn)，碳水化合物活性酶編碼基因表達(dá)都出現(xiàn)上調(diào)以響應(yīng)特定的半纖維素。代謝組學(xué)分析證明，經(jīng)過不同菌株的試驗(yàn)，蜜蜂產(chǎn)生了獨(dú)特的腸道代謝組學(xué)特征，并富集了特定的單糖，這與基因組數(shù)據(jù)的預(yù)測相一致。其他 3 個(gè)核心腸菌群( Snodegrassella 和 2 個(gè)乳桿菌群)具有很少的或幾乎沒有多糖消化的基因。
綜上所述，這些發(fā)現(xiàn)表明，單個(gè)宿主內(nèi)的菌株組成決定了代謝能力，并可能影響宿主的營養(yǎng)。此外，研究還揭示了生態(tài)位特化可能促進(jìn)蜜蜂腸道微生物群的群落穩(wěn)定性。
植物多糖在許多動物飲食中含量豐富，但動物通常缺乏消化這些底物的酶。許多細(xì)菌依靠腸道細(xì)菌來打破不同的多糖鍵，并釋放可被宿主吸收的糖或短鏈脂肪酸。在人類中，飲食多糖影響腸道微生物生態(tài)，進(jìn)而影響宿主的生理和健康。和人類一樣，蜜蜂在遠(yuǎn)端腸道中有一個(gè)能消化多糖的細(xì)菌群落。后腸室被5個(gè)細(xì)菌分支密集定殖。Snodgrassella alvi，β 變形菌的一種微需氧菌，附著在回腸壁上，消耗乙酸鹽和氧氣，產(chǎn)生缺氧腔。Snodgrassella 表面覆蓋著一層 Gilliamella。乳桿菌的兩個(gè)分支，F(xiàn)irm-4 和 Firm-5 與雙歧桿菌一起存在于后腸的管腔中。這5個(gè)細(xì)菌群是多數(shù)群居蜜蜂腸道菌群群落的主要成員，包括蜜蜂(Apis)、熊蜂(Bombus)和無刺蜜蜂(Meliponini)。
然而，單個(gè)微生物群成員對多糖消化的貢獻(xiàn)仍然不清楚。研究人員假設(shè)這些核心細(xì)菌占據(jù)了不同的代謝生態(tài)位，使它們能夠在資源有限的環(huán)境中共存。
兩株 G.apicola 菌株和兩株星狀雙歧桿菌菌株采集自中國吉林的蜜蜂的腸勻漿，于2019年。在 Illumina HiSeq 平臺上獲得純分離株的基因組序列和來自蜜蜂腸道的宏基因組數(shù)據(jù)。在整合了微生物基因組和微生物系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對整合后的基因組進(jìn)行了注釋，并通過使用 BLAST 搜索NCBI 里的 nr 蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫來指定 CAZymes 的分類單元。接著使用 HMM 搜索方法，針對 dbCAN2 數(shù)據(jù)庫對本研究中分離株的基因組數(shù)據(jù)和從 NCBI 數(shù)據(jù)庫檢索的分離株的基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行了注釋。單接種蜜蜂是通過喂養(yǎng)帶有純培養(yǎng) G. apicola 菌株和星狀雙歧桿菌菌株的無菌蜜蜂得來的。無菌和單接種蜜蜂喂養(yǎng) 2 天的蔗糖溶液。在飲食處理前,蜜蜂是饑餓 4 小時(shí)的, 然后喂食阿拉伯聚糖、半乳糖聚糖、β-葡聚糖、木葡聚糖或溶解在蔗糖糖漿中的聚半乳糖醛酸。24 小時(shí)后，將整個(gè)腸管解剖，提取 RNA。從腸道勻漿中提取 RNA，通過 qPCR 檢測編碼 GHs 和 PLs 的細(xì)菌基因的表達(dá)水平，利用 GC-MS（氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀）從提取的腸室中確定代謝組譜。
1. 蜜蜂腸道細(xì)菌的獨(dú)特的碳水化合物活性酶譜（CAZyme），發(fā)現(xiàn)蜜蜂腸道細(xì)菌種類的 CAZyme 譜存在差異。證實(shí) GH 和 PL 基因分別在雙歧桿菌和 Gilliamella 菌中特異性富集。
圖A. 來自蜜蜂腸道菌群的雙歧桿菌、乳桿菌、Gilliamella 菌的基因組中的 GH 和 PL 家族的平均相對豐度。Gilliamella 菌的基因組分別來自 A. mellifera（蜜蜂）、A. cerana（中華蜜蜂）、Bombus（熊蜂）。括號中的數(shù)值為每個(gè)物種分析的基因組數(shù)量。圓圈大小表示每個(gè)基因組中GH/PL 家族的平均基因數(shù)量。圓圈顏色代表基因組 GH（糖苷水解酶）/PL（多糖裂合酶）數(shù)量的相對變異性，計(jì)算為變異系數(shù)( SD與平均值之比)。GH43 是蜜蜂腸道雙歧桿菌中含量最多的GH家族。
圖B. 基于對宏基因組學(xué)數(shù)據(jù)中的 BLASTP 比對，得出的 A. mellifera（蜜蜂）腸道菌群中的核心成員的相對豐度。括號內(nèi)的名稱表示可能的蜜蜂腸道菌群的分類單元。
圖C. 基于宏基因組學(xué)數(shù)據(jù)，選定的 GH/PL 基因中不同菌屬的數(shù)量分布?？芍?，大部分 GH 基因?qū)儆陔p歧桿菌，大部分 PL 基因?qū)儆?Gilliamella菌。
2. 蜜蜂腸道雙歧桿菌在其 GH 基因庫中表現(xiàn)出菌株水平的差異。基于共享的核糖體蛋白基因的系統(tǒng)發(fā)育表明，來自蜜蜂腸道的雙歧桿菌物種形成了不同的譜系，證實(shí)了先前的發(fā)現(xiàn)。來自 Apis 宿主的菌株通常與來自 Bombus 宿主的菌株分開聚集，就像在其它蜜蜂腸道細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的那樣。
雙歧桿菌菌株的系統(tǒng)發(fā)育樹， Bootstrap values 在節(jié)點(diǎn)上指示。來自 Apis 或 Bombus 的菌株通過分支顏色指示。 灰色陰影表示棒狀雙歧桿菌菌株和 3 簇星狀雙歧桿菌。熱圖顯示了每個(gè)菌株中屬于 GH43 亞科的基因數(shù)量。 GH43 基因的總數(shù)由條形圖顯示。GH43 亞科基因在雙歧桿菌基因組中的分布和頻率暗示了基因復(fù)制和缺失或頻繁的水平基因轉(zhuǎn)移的歷史。
3. 雙歧桿菌的 GH 基因被組織成多糖利用位點(diǎn) (PULs)，并在不同的半纖維素作用下表達(dá)。證明 GH 基因可以廣泛地參與多種主要類別的半纖維素的降解，或者對某些類別的半纖維素具有高度特異性。
圖A. 星狀芽孢桿菌和棒狀雙歧桿菌菌株中 GH 的共線位點(diǎn)、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因（Transporter）和轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子 (Transcription regulator)。同源基因由灰色條連接，并顯示各自基因的 GH 家族編號。
圖B. GH 對不同半纖維素底物的響應(yīng)的基因表達(dá)譜。誤差條表示 3 個(gè)生物重復(fù)的 SDs。在體內(nèi)，GH43-4-1 對木葡聚糖的反應(yīng)增加了38倍，而GH434-2 對阿拉伯聚糖的反應(yīng)比對木葡聚糖的反應(yīng)更強(qiáng)烈
圖C. 以阿拉伯糖（arabinan）、半乳聚糖（galactan）或木葡聚糖（xyloglucan）補(bǔ)充蔗糖喂養(yǎng)的 w8111 定殖或 w8103 定殖的蜜蜂的腸道中檢測到的 687 種代謝物為基礎(chǔ)的偏最小二乘判別分析結(jié)果。(D-F)在喂食不同多糖的單接種蜜蜂的腸道中鑒定出的差異豐富的代謝物的火山圖。所有 7 個(gè) GH 家族基因在體外至少 1 個(gè)半纖維素源的應(yīng)答中均被上調(diào)。
4. Gilliamella菌是蜜蜂腸道中果膠的主要降解者。
圖A. Gilliamella 分離菌株的系統(tǒng)發(fā)育樹。CE-PLs 基因座與 GH31 基因的存在/不存在由白色/灰色的方框指示。與果膠降解相關(guān)的 PL 和 GH 是由 Gilliamella 菌的一個(gè)亞系獲得的，并隨后丟失了幾次
圖B. 相對于對照(蔗糖糖漿)，對喂養(yǎng)花粉（pollen）和多聚半乳糖醛酸( PG )的單接種蜜蜂的 G.apicola W8127 所有基因在體內(nèi)的基因表達(dá)譜，并可見其在補(bǔ)充花粉和PG后都上調(diào)了。誤差條表示 3 個(gè)生物重復(fù)的 SDs。這支持了 Gilliamella 菌對果膠有降解作用的論點(diǎn)。
圖C. 喂食多聚半乳糖醛酸的單接種和無菌 (MF)蜜蜂的腸道半乳糖醛酸濃度( n=5 到 6)。單接種蜜蜂的半乳糖醛酸濃度要高于 MF 蜜蜂。表明，具有 PL-CE 基因簇的 Gilliamella 菌是導(dǎo)致腸道中果膠分解的原因。經(jīng) Mann-Whitney u 檢驗(yàn)。
5. 某些蜜蜂腸道共生體不能合成它們自己的氨基酸。
圖A. 在來自蜜蜂腸道的 231 個(gè)細(xì)菌分離菌株的基因組中影響氨基酸合成的基因。彩色方框表示存在通路所需的所有基因，白色方框表示缺失通路所需基因。與 Snowgrassella 和 Gilliamella 菌株相比，乳桿菌分離株缺少許多氨基酸生物合成途徑。對于雙歧桿菌，大多數(shù)來自 Apis 的菌株預(yù)測能夠合成氨基酸，而來自 Bombus 的菌株缺乏許多所需的基因。
圖B. TCA 循環(huán)，具有 ASCT 途徑和蛋氨酸合成途徑，它包含乙酰輔酶A 和乙酸鹽，而不是琥珀酰輔酶A。蜜蜂腸道物種使用不同的?；孜飦砑せ罡呓z氨酸的γ-羥基（γ-hydroxyl）。
研究揭示了蜜蜂后腸菌群與人類遠(yuǎn)端腸道菌群之間的相似之處。在這兩種情況下，微生物群落都是在富含主要能源的植物多糖的環(huán)境中與宿主一起進(jìn)化的。對這種資源的獲取高度依賴于細(xì)菌降解和發(fā)酵這些多糖的能力。在兩種體系中，宿主都吸收多糖降解產(chǎn)生的短鏈脂肪酸。在這兩種情況下，不同的成員對碳水化合物的利用和生物合成的貢獻(xiàn)都是不同的。執(zhí)行不同任務(wù)的物種之間的相互依賴可以給人一種進(jìn)化合作的印象，盡管這些相同的模式反而反映了社區(qū)成員之間的競爭和剝削。在任何一種情況下，分工都可以實(shí)現(xiàn)高效的底物新陳代謝以及群落的穩(wěn)定性，從而使宿主受益。
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