松墨天牛腸道微生物研究進展

時增增， 吳巖鎮， 林志藝*

(1.福建農林大學林學院/生態公益林重大有害生物防控福建省高校重點實驗室，福州 350002；2.福建省福州市連江縣林業局，福州 350100)

1 引 言

松墨天牛(MonochamusalternatusHope)是一種樹干侵入性甲蟲，是松材線蟲病的主要傳播媒介，在我國南方多個省市都有分布[1]。松材線蟲病是我國的一種重要的林業檢疫性病害，該病自傳入我國以來，對我國林業系統已經造成了重大的危害，所以又被稱為松樹的“癌癥”。松墨天牛對松樹的取食不會造成松樹的大量死亡，但它所攜帶的大量的松材線蟲分泌的化學物質對松樹有致命的傷害[2]。目前對松墨天牛的防治追求物理、化學、生物相結合的綜合防治。在物理防治上，主要采用去除疫木、切斷傳染源等措施；在化學防治上，主要是利用注干劑、無人機進行藥物的輸入[3]。生物防治主要是開發生物毒素、天敵等進行天牛種群的控制。

腸道微生物是指生活在宿主腸段內微生物的總稱，不同昆蟲體內腸道微生物具有不同的種群規模[4]。腸道微生物在宿主新陳代謝、生長發育等多方面發揮著重要作用。許多研究表明蛀干害蟲腸道擁有豐富微生物種群，其數量比昆蟲自身細胞的總數還多[5-6]。隨著16S rDNA基因測序、宏基因組學和蛋白質組學分析技術的運用更進一步的擴寬了人們探究腸道微生物的視野[7]

2 松墨天牛腸道菌群的特征

2.1 松墨天牛腸道微生物群落組成

松墨天牛腸道微生物占主要地位的是細菌。胡霞等人發現我國室外松墨天牛幼蟲的腸道優勢菌是變形菌門(Proteobacteria)[8]。陳宏建等人運用16S rDNA 的高通量測序技術發現在門的水平上，無論是在野生還是飼養條件下，松墨天牛腸道菌群的優勢門均為變形菌門和厚壁菌門(Firmicutes)。且在室內人工飼養的情況下，變形菌門占有更大的豐度。這與胡霞等人的研究一致，說明國內野外條件下松墨天牛腸道的優勢菌群相對穩定。通過對OTUs 組成和 Alpha 多樣性的分析表明，室內飼養的松墨天牛成蟲具有更多的腸道菌群[9]。在屬水平上，國內的松墨天牛成蟲腸道中占據主要地位的是腸桿菌屬(Enterobacter)。在國外的研究中，克呂沃爾菌屬(Kluyvera)是主要的室外成蟲腸道菌群，沙雷氏菌、腸桿菌屬、無色桿菌屬(Achromobacter)和紅球菌屬(Rhodococcus)是主要室內種群的腸道菌群，結果與國內存在差異，這與國內外松墨天牛生活環境不同有關[10]。

2.2 松墨天牛腸道微生物群落結構特征

昆蟲的腸道分為前腸、中腸和后腸，不同位置的腸道擔任的生理功能不同，隨著不同腸段擔任的主要功能不同，其所富集的微生物的種群與豐度也有差異[11]。陳宏建等人利用Illumina HiSeq技術對松墨天牛幼蟲腸道細菌的16S rDNA V3-V4區序列進行文庫構建和高通量測序后發現，在OTUs水平上，前腸OTUs最少,后腸OTUs最多[12]。這表明，在松墨天牛的腸道中，菌落最豐富的是后腸，這也說明了在松墨天牛中后腸是主要的消化腸段。在松墨天牛幼蟲的5個齡期中，腸道微生物在門的水平上是相似的，但前2個齡期的細菌種多樣性顯著高于后面的齡期，這與松墨天牛前期生活在具韌皮部與木質部的交接層，后期生活在營養物質單一的木質部是分不開的。

2.3 松墨天牛腸道菌群的變化規律

松墨天牛是完全變態類昆蟲，生活周期包括卵、幼蟲、蛹、成蟲4個時期。綜合國內外對松墨天牛幼蟲與成蟲的研究，幼蟲與成蟲的優勢菌在門的水平上差別不大，在屬的水平上主要差異在于次優勢菌。在國內松墨天牛幼蟲腸道菌群主要是變形菌門，優勢菌包含腸桿菌屬、葡糖桿菌屬(Gluconobacter)和沙雷氏菌屬(Serratia)，這與Kim等[10]發現一致，但不同的是變形菌門所占比不同，并且屬的水平上是以布丘氏菌屬(Buttiauxella)、紅球菌屬(Rhodococcus)為主。在松墨天牛的成蟲中，國內松墨天牛成蟲腸道也是以變形菌門的腸桿菌屬為主，而國外松墨天牛成蟲腸道中則以克呂沃爾菌屬(Kluyvera)為主。

3 松墨天牛腸道微生物的功能

3.1 維持腸道內生態環境的穩態

后生動物腸道里的微生物群落,參與宿主生長、發育、分化和免疫等廣泛的生理活動[13]。松墨天牛在取食的過程中，一些微生物會隨著食物的進入并定植在其腸道中。這些定植在松墨天牛體內的微生物，部分承擔著為松墨天牛降解難以消化的食物；部分則與松墨天牛相互作用調控天牛生長發育[14]。如松墨天牛腸道微生物可以幫助天牛進行糖類和氨基酸的代謝。共生微生物作為天牛的得力助手，不僅能幫助天牛克服木質纖維素、抵御病原菌還具有固氮等功能[15]。這些微生物為松墨天牛提供的便利，讓其在競爭與生存方面獲得優勢。

3.2 促進松墨天牛分解消化

木質纖維素是松墨天牛能主要攝取的營養物質。若要以木質素為營養來源，僅依靠其自身的消化能力是不夠的，胡霞等人通過可培養的方法在松墨天牛幼蟲腸道中共篩選出能降解木質纖維素的菌株154株，其中叢毛單孢菌(Comamonaskoreensis)和噬纖維細菌(Siphonobacteraquaeclarae)具有較強降解能力[16]。松墨天牛主要以馬尾松為食，馬尾松含氮量極低，氮素的缺乏對松墨天牛是一種需要突破的挑戰。謝谷艾等[17]用Ashby 培養基篩選出9種松墨天牛幼蟲腸道中的含有固氮作用的細菌，包括腸桿菌屬(EnterobacterHormaecheandEdwards, 1960)、氣球菌屬 (AerococcusWilliams,HitchandCowan, 1953)、檸檬酸桿菌屬(CitrobacterWerkmanandGillen, 1932)、固氮菌屬(Azotobacter)等。腸道微生物幫助松墨天牛解決了碳、氮等元素缺乏、難獲取等問題，這為松墨天牛在一個地區的生存及繁衍提供了直接的保障。

3.3 抵御病原體

松墨天牛成蟲因其具翅能飛、活動能力強，所以能接觸到很多微生物，其中能侵入并使其致病的病原菌也有很多。如白僵菌(Beauveria)、蘇云金桿菌(Bacillusthuringiensis)、粘質沙雷氏菌(SerratiamarcescensBizio)等。為了增強自身對環境的適應，昆蟲腸道進化出了很多防御機制，如雙氧化酶 DUOX 介導產生的活性氧(reactive oxygen species，ROS)和 Imd 信號通路產生的抗菌肽 (antimicrobial peptides，AMPs)[18]。在 DUOX 途徑中，細菌可以分泌激活 DUOX 介導產生 ROS的非肽聚糖配體尿嘧啶[21]。在Imd途徑中，宿主體內的微生物可以識別受體和免疫防御機制，這些特異性的微生物受體，是其共生菌在與宿主長期進化過程中的一種保護機制[20]。另外在富集大量細菌的馬氏管中，也能產生許多免疫類物質幫助昆蟲抵御病原微生物的入侵。

4 展望及總結

隨著松墨天牛腸道微生物研究的深入，可以從其腸道內獲得啟發，實現“以菌治蟲”。腸道微生物不僅本身一定的殺蟲潛力，其還能產生一些具有殺蟲活性的物質，如蘇云金芽孢桿菌產生的具有較好殺蟲活性的內毒素——伴胞晶體[21]。以“以菌治蟲”的靈感主要來自被菌感染的蟲子尸體，如吳松青等人分離出的 BRC-CXG2 菌株能產生靈桿菌素，這可以作為Bti LLP29胞晶混合液的增效劑[22]；牟亞妮等人在松墨天牛尸體中分離的銅綠假單胞菌對天牛幼蟲具有殺蟲活性[23]；運用松墨天牛腸道中的優勢菌屬作為工程菌，攜帶Bt Cry3Aa毒素，可以對其產生良好的殺蟲效果。在昆蟲的腸道中，微生物之間存在著一些巧妙的互作關系。在同為入侵性甲蟲的紅脂大小蠹中，周等人研究發現小蠹蟲幼蟲和其伴生真菌對優勢糖原的獲取存在競爭關系，這會嚴重影響小蠹蟲幼蟲的生長發育，但小蠹蟲的腸道細菌Serratialiquefa-ciens、Rahnellaaquatilis和Pseudomonas產生的氨氣會改變半生真菌的糖原消耗順序，緩解其對小蠹蟲糖原的競爭[24]。這種巧妙的細菌與真菌之間的關系，對幼期的小蠹蟲是非常有利的。徐等人發現被清除了腸道細菌的小蠹蟲更容易被白僵菌侵染致死，經過實驗證明，這其中的關鍵在于歐文氏菌(Erwinia)的有無[25]。這種利用昆蟲腸道內細菌與真菌之間的互利或拮抗關系有助于進一步利用微生物來防治有害昆蟲。

綜上所述，松墨天牛的腸道微生物種類復雜多樣，且在松墨天牛生長發育中發揮著重要的作用。國內不同地區松墨天牛的主要腸道微生物差別不大，但國內與國外松墨天牛腸道里的優勢菌群存在較大差異，這跟松墨天牛所取食環境相關。松墨天牛因其主要生活在韌皮部之內，防治困難，因此物理、化學、生物等防治手段相結合才能發揮最大的殺蟲效果。在松墨天牛的防控中，可以繼續挖掘其腸道微生物的功能，為創造新的工程菌提供參考。