【原】类似人肠道菌群的蜜蜂肠道菌群对植物多糖消化的分工

近日，中国农业大学食品科学与营养工程学院与德克萨斯大学奥斯汀分校综合生物学系联合研究的一项非常有意思的成果：“Division of labor in honey bee gut microbiota for plant polysaccharide digestion（蜜蜂肠道微生物群对植物多糖消化的分工）”在线发表在Latest Articles | PNAS 期刊上，此研究揭示了蜜蜂后肠菌群与人类远端肠道菌群之间的相似之处。
在这两种情况下，微生物群落都是在富含主要能源的植物多糖的环境中与宿主一起进化的。对这种资源的获取高度依赖于细菌降解和发酵多糖的能力。在两种体系中，宿主都吸收多糖降解产生的短链脂肪酸。在这两种情况下，不同的菌群对碳水化合物的利用和生物合成的贡献是不同的。

niche specialization 生态位特化：是指在食物资源丰富的环境中，消费者选食最习惯摄食的猎物或被食者的现象。当食物丰富时，取食种类可能缩小，食性趋向特化，生态位变窄。

Bootstrap values 步长值：是指在你选择的遗传距离算法中，软件根据所比对序列得到结果。比如 bootstrap value设置为1000，即软件构建了相应的1000棵树，在每个节点上显示的bootstrap value 就是指在这1000次建树过程中，有相应次数的频率在这个分枝内的几株菌或几段序列在进化速度上相似，一般认为节点处的bootstrap value大于500时分析结果可信。

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摘要

研究人员通过对细菌分离株的基因组和蜜蜂肠道微生物群的宏基因组分析，确定双歧杆菌和 Gilliamella 菌是半纤维素和果胶的主要降解者，而Snodegrassella 菌和乳杆菌在多糖消化中几乎或没有起作用。双歧杆菌和 Gilliamella 菌在与多糖消化相关的基因库中都显示出广泛的菌群水平的多样性。在双歧杆菌中，编码碳水化合物活性酶的基因位于专用于多糖利用的位点内，例如人类肠道的拟杆菌。不论体外和体内的实验，碳水化合物活性酶编码基因表达都出现上调以响应特定的半纤维素。代谢组学分析证明，经过不同菌株的试验，蜜蜂产生了独特的肠道代谢组学特征，并富集了特定的单糖，这与基因组数据的预测相一致。其他 3 个核心肠菌群( Snodegrassella 和 2 个乳杆菌群)具有很少的或几乎没有多糖消化的基因。

综上所述，这些发现表明，单个宿主内的菌株组成决定了代谢能力，并可能影响宿主的营养。此外，研究还揭示了生态位特化可能促进蜜蜂肠道微生物群的群落稳定性。

背景

植物多糖在许多动物饮食中含量丰富，但动物通常缺乏消化这些底物的酶。许多细菌依靠肠道细菌来打破不同的多糖键，并释放可被宿主吸收的糖或短链脂肪酸。在人类中，饮食多糖影响肠道微生物生态，进而影响宿主的生理和健康。和人类一样，蜜蜂在远端肠道中有一个能消化多糖的细菌群落。后肠室被5个细菌分支密集定殖。Snodgrassella alvi，β 变形菌的一种微需氧菌，附着在回肠壁上，消耗乙酸盐和氧气，产生缺氧腔。Snodgrassella 表面覆盖着一层 Gilliamella。乳杆菌的两个分支，Firm-4 和 Firm-5 与双歧杆菌一起存在于后肠的管腔中。这5个细菌群是多数群居蜜蜂肠道菌群群落的主要成员，包括蜜蜂(Apis)、熊蜂(Bombus)和无刺蜜蜂(Meliponini)。

然而，单个微生物群成员对多糖消化的贡献仍然不清楚。研究人员假设这些核心细菌占据了不同的代谢生态位，使它们能够在资源有限的环境中共存。

实验设计

两株 G.apicola 菌株和两株星状双歧杆菌菌株采集自中国吉林的蜜蜂的肠匀浆，于2019年。在 Illumina HiSeq 平台上获得纯分离株的基因组序列和来自蜜蜂肠道的宏基因组数据。在整合了微生物基因组和微生物系统的基础上，对整合后的基因组进行了注释，并通过使用 BLAST 搜索NCBI 里的 nr 蛋白质数据库来指定 CAZymes 的分类单元。接着使用 HMM 搜索方法，针对 dbCAN2 数据库对本研究中分离株的基因组数据和从 NCBI 数据库检索的分离株的基因组数据进行了注释。单接种蜜蜂是通过喂养带有纯培养 G. apicola 菌株和星状双歧杆菌菌株的无菌蜜蜂得来的。无菌和单接种蜜蜂喂养 2 天的蔗糖溶液。在饮食处理前,蜜蜂是饥饿 4 小时的, 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浆中的聚半乳糖醛酸。24 小时后，将整个肠管解剖，提取 RNA。从肠道匀浆中提取 RNA，通过 qPCR 检测编码 GHs 和 PLs 的细菌基因的表达水平，利用 GC-MS（气相色谱-质谱联用仪）从提取的肠室中确定代谢组谱。

主要结果

• 1. 蜜蜂肠道细菌的独特的碳水化合物活性酶谱（CAZyme），发现蜜蜂肠道细菌种类的 CAZyme 谱存在差异。证实 GH 和 PL 基因分别在双歧杆菌和 Gilliamella 菌中特异性富集。

图A. 来自蜜蜂肠道菌群的双歧杆菌、乳杆菌、Gilliamella 菌的基因组中的 GH 和 PL 家族的平均相对丰度。Gilliamella 菌的基因组分别来自 A. mellifera（蜜蜂）、A. cerana（中华蜜蜂）、Bombus（熊蜂）。括号中的数值为每个物种分析的基因组数量。圆圈大小表示每个基因组中GH/PL 家族的平均基因数量。圆圈颜色代表基因组 GH（糖苷水解酶）/PL（多糖裂合酶）数量的相对变异性，计算为变异系数( SD与平均值之比)。GH43 是蜜蜂肠道双歧杆菌中含量最多的GH家族。

图B. 基于对宏基因组学数据中的 BLASTP 比对，得出的 A. mellifera（蜜蜂）肠道菌群中的核心成员的相对丰度。括号内的名称表示可能的蜜蜂肠道菌群的分类单元。

图C. 基于宏基因组学数据，选定的 GH/PL 基因中不同菌属的数量分布。可知，大部分 GH 基因属于双歧杆菌，大部分 PL 基因属于 Gilliamella菌。

• 2. 蜜蜂肠道双歧杆菌在其 GH 基因库中表现出菌株水平的差异。基于共享的核糖体蛋白基因的系统发育表明，来自蜜蜂肠道的双歧杆菌物种形成了不同的谱系，证实了先前的发现。来自 Apis 宿主的菌株通常与来自 Bombus 宿主的菌株分开聚集，就像在其它蜜蜂肠道细菌中发现的那样。

双歧杆菌菌株的系统发育树， Bootstrap values 在节点上指示。来自 Apis 或 Bombus 的菌株通过分支颜色指示。 灰色阴影表示棒状双歧杆菌菌株和 3 簇星状双歧杆菌。热图显示了每个菌株中属于 GH43 亚科的基因数量。 GH43 基因的总数由条形图显示。GH43 亚科基因在双歧杆菌基因组中的分布和频率暗示了基因复制和缺失或频繁的水平基因转移的历史。

• 3. 双歧杆菌的 GH 基因被组织成多糖利用位点 (PULs)，并在不同的半纤维素作用下表达。证明 GH 基因可以广泛地参与多种主要类别的半纤维素的降解，或者对某些类别的半纤维素具有高度特异性。

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• 图A. 星状芽孢杆菌和棒状双歧杆菌菌株中 GH 的共线位点、转运蛋白基因（Transporter）和转录调节因子 (Transcription regulator)。同源基因由灰色条连接，并显示各自基因的 GH 家族编号。

• 图B. GH 对不同半纤维素底物的响应的基因表达谱。误差条表示 3 个生物重复的 SDs。在体内，GH43-4-1 对木葡聚糖的反应增加了38倍，而GH434-2 对阿拉伯聚糖的反应比对木葡聚糖的反应更强烈

• 图C. 以阿拉伯糖（arabinan）、半乳聚糖（galactan）或木葡聚糖（xyloglucan）补充蔗糖喂养的 w8111 定殖或 w8103 定殖的蜜蜂的肠道中检测到的 687 种代谢物为基础的偏最小二乘判别分析结果。(D-F)在喂食不同多糖的单接种蜜蜂的肠道中鉴定出的差异丰富的代谢物的火山图。所有 7 个 GH 家族基因在体外至少 1 个半纤维素源的应答中均被上调。

• 4. Gilliamella菌是蜜蜂肠道中果胶的主要降解者。

图A. Gilliamella 分离菌株的系统发育树。CE-PLs 基因座与 GH31 基因的存在/不存在由白色/灰色的方框指示。与果胶降解相关的 PL 和 GH 是由 Gilliamella 菌的一个亚系获得的，并随后丢失了几次

图B. 相对于对照(蔗糖糖浆)，对喂养花粉（pollen）和多聚半乳糖醛酸( PG )的单接种蜜蜂的 G.apicola W8127 所有基因在体内的基因表达谱，并可见其在补充花粉和PG后都上调了。误差条表示 3 个生物重复的 SDs。这支持了 Gilliamella 菌对果胶有降解作用的论点。

图C. 喂食多聚半乳糖醛酸的单接种和无菌 (MF)蜜蜂的肠道半乳糖醛酸浓度( n=5 到 6)。单接种蜜蜂的半乳糖醛酸浓度要高于 MF 蜜蜂。表明，具有 PL-CE 基因簇的 Gilliamella 菌是导致肠道中果胶分解的原因。经 Mann-Whitney u 检验。

• 5. 某些蜜蜂肠道共生体不能合成它们自己的氨基酸。

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• 图A. 在来自蜜蜂肠道的 231 个细菌分离菌株的基因组中影响氨基酸合成的基因。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。与 Snowgrassella 和 Gilliamella 菌株相比，乳杆菌分离株缺少许多氨基酸生物合成途径。对于双歧杆菌，大多数来自 Apis 的菌株预测能够合成氨基酸，而来自 Bombus 的菌株缺乏许多所需的基因。

• 图B. TCA 循环，具有 ASCT 途径和蛋氨酸合成途径，它包含乙酰辅酶A 和乙酸盐，而不是琥珀酰辅酶A。蜜蜂肠道物种使用不同的酰基底物来激活高丝氨酸的γ-羟基（γ-hydroxyl）。

• 结论

• 研究揭示了蜜蜂后肠菌群与人类远端肠道菌群之间的相似之处。在这两种情况下，微生物群落都是在富含主要能源的植物多糖的环境中与宿主一起进化的。对这种资源的获取高度依赖于细菌降解和发酵这些多糖的能力。在两种体系中，宿主都吸收多糖降解产生的短链脂肪酸。在这两种情况下，不同的成员对碳水化合物的利用和生物合成的贡献都是不同的。执行不同任务的物种之间的相互依赖可以给人一种进化合作的印象，尽管这些相同的模式反而反映了社区成员之间的竞争和剥削。在任何一种情况下，分工都可以实现高效的底物新陈代谢以及群落的稳定性，从而使宿主受益。

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