家蠶腸道微生物的研究進展

李 莉 馬光皇 劉語涵 肖海兵 陳家力 朱天生 楊明祿

（1.塔里木大學植物科學學院 新疆阿拉爾 843300； 2.南疆農業有害生物綜合治理兵團重點實驗室 新疆阿拉爾 843300）

家蠶（Bombyx moriL.）屬于鱗翅目（Lepidoptera）蠶蛾科（Bombycidae），起源于中國北方的野桑蠶（Bombyx mandarinaL.），幼蟲均以桑葉為食，經過幾千年的馴化與選育，已有3 000 多個品種[1]。家蠶是唯一被人類馴化形成的新物種，作為特種經濟動物在紡織、軍工等方面發揮了重要作用。同時，家蠶也是鱗翅目代表性模式昆蟲之一，是生命科學典型的生物學模型，因個體較大、容易飼養、化性豐富和遺傳背景清楚等自然優勢，在生物學、遺傳學和昆蟲免疫學領域發揮著重要的作用[2]。雖然家蠶食性較為單一，但其腸道微生物和其他昆蟲一樣比較豐富，一般認為昆蟲腸道微生物群落結構與食物種類和消化道理化環境密切相關[3]。隨著對昆蟲腸道微生物種類與功能的深入研究，可確認腸道微生物在昆蟲抵御病原菌、營養吸收和免疫等方面具有重要作用。本文通過分析國內外相關文獻，闡述家蠶腸道微生物種類組成、生物學功能及其影響因素等，以期為后續研究提供參考。

1 家蠶腸道微生物種類組成

早期研究主要針對家蠶致病微生物，如白僵菌、綠僵菌、微孢子蟲、病原細菌及病毒等，以及病原菌經消化道的侵染過程。隨著對家蠶消化及微生物分離鑒定的深入研究，越來越多專家學者注意到腸道微生物的潛在功能與價值[3-6]。家蠶腸道微生物以細菌為主，較為常見的有厚壁菌門（Phylum Firmicutes）和變形桿菌門（Proteobacteria），其次有硝化螺旋菌門（Nitrospirae）、藍細菌門（Cyanobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、梭桿菌門（Fusobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi）和廣古菌門（Euryarchaeota），也能檢測到奇古菌門 （Thaumarchaeota）、異常球菌屬-棲熱菌門（Deinococcus-Thermus）、細菌超門（Patescibacteria）、軟壁菌門（Tenericutes）、脫鐵桿菌門（Deferribacteres）、疣微桿菌門（Verrucomicrobia）、浮霉菌門（Planctomycetes）等細菌種類[3,7-9]，在屬和種水平上不同處理及品種之間存在明顯的差異。由于高通量測序16 S基因區間選擇限制，在物種水平的可信度上存在一定差異，因此，可將屬級水平作為微生物多樣性的重要指標。

家蠶腸道微生物因性別、蟲齡、蟲態或生存環境差異呈現不同（見表1），一般優勢屬為鏈球菌屬（Streptococcus）、腸球菌屬（Enterococcus）和假單胞菌屬（Pseudomonas）等，但不同處理差異較大[10]，而在人工飼料、非寄主植物飼育或殺蟲劑干擾下，葡萄球菌屬（Staphylococcus）會變為優勢屬之一[9,11-12]。孫雪奇等[6]從家蠶腸道中分離出16個屬253 種細菌，利用其中部分細菌研制微生態制劑添食后，家蠶發病率降低。以大造品種為例，幼蟲取食桑葉的5齡第3天解剖取中腸，發現代爾夫特菌屬（Delftia）和橙單胞菌屬（Aurantimonas）都是雌雄家蠶排在第一、第二位的優勢菌群，而腸球菌屬（Enterococcus）、臺灣溫單胞菌屬（Tepidimonas）、嗜糖假單胞菌屬（Pelomonas）、阿斯普羅單胞菌屬（Aspromonas）和假單胞菌屬（Pseudomonas）雖為優勢菌群，但排序上存在差異。另外，甲基桿菌屬（Methylobacterium）、葡萄球菌屬（Staphylococcus）和青枯菌屬（Ralstonia）在雄蠶中為優勢屬，雌蠶中則為佩特羅菌屬（Petrobacter）和狹義梭菌屬（Clostridium sensu stricto），并且優勢屬豐度比率也存在差異[10]。家蠶腸道微生物的多樣性保障了菌群的穩定性，有利于家蠶幼蟲的生長發育。

表1 家蠶腸道細菌屬水平的多樣性

2 家蠶腸道微生物的影響

家蠶生長發育所需的營養物質來源于腸道對食物的消化與吸收，同時腸壁及其圍食膜也是抵御有毒物質及病原菌入侵的天然屏障。昆蟲受到外界或自身不良因素影響時，腸道微生物群落有一定的響應能力，能消除部分不良影響。當給家蠶喂食綠膿桿菌（P.aeruginosa）或金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）會引起中腸中抗菌肽Gloverin2、Lebcion和CecropinB6等相關基因的表達量顯著上調[18]，影響消化道不同微生物菌群豐度，進而對中腸食物消化產生影響。

2.1 輔助消化

家蠶是以桑葉為食的昆蟲，桑葉由果膠、木聚糖、纖維素和淀粉等物質組成，昆蟲自身消化酶很難有效降解果膠、纖維素等物質，而其腸道內某些細菌分泌的消化酶能夠分解它們，可提高家蠶對桑葉的利用率。目前已經分離到能夠降解纖維素的菌株有普通肺炎桿菌（Proteus vulgaris）、弗氏檸檬酸桿菌（Citrobacter freundii）和肺炎克桿菌（Klebsiella pneumoniae）等木聚糖降解菌，其分泌的木聚糖酶可以降解桑葉中的纖維素，生成葡萄糖或纖維二糖；而熒光假單胞菌（Pseudomonas fluorescens）和歐文氏菌（Erwiniaspp.）能夠產生果膠分解酶，切割果膠的糖苷鍵產生半乳糖醛酸；肺炎克桿菌（K. pneumoniae）可將淀粉顆粒水解成葡萄糖，更有利于家蠶消化吸收[19]。體外培養證實，家蠶中腸中含有可分泌蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和纖維素酶的菌株[20-22]，腸道微生物通過分泌消化酶，促進桑葉中蛋白質、脂肪、淀粉和纖維素的分解，為家蠶提供生長發育必需的營養物質。除此之外，腸道微生物還在抑制病原菌中發揮重要作用。

2.2 抵抗病原物，維持菌群穩定

家蠶腸道組織、微生物或分泌物也可抵御病原菌入侵，如中腸組織分泌的家蠶脂肪酶1（Bmlipase-1）明顯抗家蠶核型多角體病毒（BmNPV）[23]，腸球菌（Enterococcusspp.）對家蠶微孢子蟲孢子萌發有較強抑制作用，影響微孢子蟲侵染[24]。當家蠶食有微孢子蟲飼料后腸球菌會增加，相應的細菌物種豐富度下降[25]，感染BmCPV也出現類似現象。家蠶感染BmBDV后變形菌門（Proteobacteria）和厚壁菌門（Phylum Firmicutes）菌群比例高于正常家蠶，腸球菌屬（Enterococcus）逐漸增加，而乳球菌屬（Lactococcus）明顯減少[26]，這些變化對腸道菌群穩定很重要。家蠶腸道產生的活性氧（ROS）、一氧化氮（NO）及抗菌肽（Antimicrobial peptides，AMPs）在免疫防御中有重要作用[27]。通過改變家蠶腸道微環境或補充有益微生物，可提升家蠶生產性能和蠶絲品質[6]，而家蠶腸道微生物種類及豐度又受到諸多因素影響。

3 影響家蠶腸道微生物的因素

3.1 溫度變化

溫度在一定范圍內的晝夜變化對家蠶的生長發育有利，超出范圍的極端低溫或高溫則負面影響較大。家蠶經高溫處理后雌蠶腸道微生物豐度顯著降低，包括參與碳水化合物代謝的乳球菌屬（Lactococcus）、梭桿菌屬（Fusobacterium）等6屬、參與脂質代謝的梭菌屬（Clostridium Prazmowski）、擬桿菌屬（Bacteroides）、地芽孢桿菌屬（Geobacillussp.）和參與蛋白質及氨基酸代謝的芽孢桿菌屬（Bacillus）、短芽孢桿菌屬（Brevibacillus）；而雄蠶僅乳球菌屬（Lactococcus）、梭桿菌屬（Fusobacterium）和短芽孢桿菌屬（Brevibacillus）豐度顯著降低。家蠶通過調節腸道蔗糖酶、海藻糖酶及脂肪酶活性以適應外界變化[28]。參與免疫的腸球菌屬（Enterococcus）和葡萄球菌屬（Staphylococcus）豐度與其他優勢屬豐度呈負相關，此外泛菌屬、Incertae_Sedis、埃希氏菌-志賀氏菌屬（Escherichia-Shigella、Anderseniella）和不動桿菌屬（Acinetobacter）等對高溫處理較敏感[29]。

3.2 寄主及人工飼料

以不同寄主或人工飼料喂食家蠶，會導致家蠶腸道微生物種類及豐度差異。家蠶取食桑葉與人工飼料相比，腸道微生物對宿主排泄、異生素生物降解及營養代謝影響明顯，而取食人工飼料的參與宿主適應性的微生物顯著增多[13]。在桑葉處理組中發現甲基桿菌屬（Methylobacterium）、布赫納氏菌屬（Buchnera）等菌屬，而人工飼料組中沒有發現；魏斯氏菌屬（Weissella）、短芽孢桿菌屬（Brevibacillus）等只出現在人工飼料處理組[8]，而在其他不同處理中差異明顯；?？浦参镨先~與桑葉之間也存在較大差異（見表1），拓葉飼喂的家蠶腸道中脂肪酶菌豐富度要差些[21]。

3.3 農藥殘留及氟化物

農藥殘留、工業氟污染、重金屬富集等會導致桑葉質量下降，影響家蠶腸道微生物種類及豐度，造成腸道微環境變化，不利于對營養物質的吸收與利用，也降低了抵御有害物質入侵的能力。家蠶對大多數農藥是敏感的，一定劑量農藥會引起家蠶中毒、死亡，而低劑量農藥暴露會導致腸道微生物群落變化。微量辛硫磷可提高家蠶幼蟲的腸道細菌群落均勻度，并改變腸道菌群的結構，甲基桿菌（Methylobacte-rium）和金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）等優勢菌的豐度顯著降低，而葡萄球菌（Staphylococcus）等非優勢細菌豐度顯著增加，導致家蠶體內脂肪酶活性上升，α-淀粉酶活性呈下降趨勢[11]。喂食Cry1Ab的家蠶幼蟲后腸中酚氧化酶誘導的黑色素會抑制內部細菌的生長[30]。當家蠶食下受氟化物污染的桑葉會有中毒癥狀，引起腸球菌屬（Enterococcus）和芽孢桿菌屬（Bacillus）豐度降低，而產脂肪酶的葡萄球菌屬豐度增加，腸道微生物菌群平衡，降低家蠶對營養物質的吸收效率[31]。低劑量的納米材料TiO2NPs不會顯著改變腸道菌群的優勢種，但會改變單個腸道菌種的豐度，增加參與營養代謝、排毒和抗病性相關菌群的豐度，降低條件致病菌沙雷氏菌（Serratia）的豐度，從而促進家蠶生長發育和調節免疫功能，還能增強家蠶對殺蟲劑的抵抗力[32]。

4 展望

家蠶曾在經濟發展中扮演重要角色，隨著農業產業結構調整和人工成本上升，傳統家蠶飼養模式受到挑戰，規?；?、輕簡化及人工飼料應用成為必然的發展趨勢。家蠶腸道微生物與飼料利用率、病原菌抵抗力和蠶絲品質關系密切，這也推動家蠶腸道微生物研究日趨多元化，包括不同飼養模式下腸道微生物組成及多樣性、功能及其影響因素等方面。雖然關于家蠶腸道微生物已有大量的研究報道，但由于昆蟲與腸道微生物涉及宿主諸多方面，包括營養、繁殖、防御和物種形成[3]，需從家蠶腸道微生物多樣性與功能的相關性，微生物在人工飼料的改進應用，以及調控腸道微生物提高桑蠶生產效率、提升蠶絲質量及提高繭層率等方面，利用多組學及比較生物學開展深入研究，對家蠶抗病及飼料選擇方面有重要意義。