许多动物饮食中富含植物多糖，但动物体内缺乏分解多糖的酶。近年来对肠道菌群的研究发现，动物可依靠其肠道微生物消化多糖，从而生成对宿主有益的短链脂肪酸等营养物质。蜜蜂取食的花粉外壁中富含纤维素、半纤维素和果胶等多糖成分，而蜜蜂肠道菌群具有结构简单、特异性强的特点，是研究肠道微生物与宿主营养健康、激素调控、动物行为的优良模式体系，但其肠道菌群对多糖消化的机制尚不清楚。
11月27日，来自中国农业大学的郑浩研究团队在PNAS（IF=9.58）发表了题为“Division of labor in honey bee gut microbiota for plant polysaccharide digestion”的文章。通过对蜜蜂肠道进行宏基因组、基因组、qPCR 和代谢组分析，最终确定参与分解多糖的主要菌群并找到了微生物编码分解多糖的基因位点，证实了相关基因位点在对特定食物多糖组分的重要作用及调控情况。同时进一步揭示了蜜蜂肠道微生物与人体肠道微生物群落的相似性，为解析肠道菌群的协作、竞争、群落稳定性及对食物的高效降解提供了基础。其中代谢组学部分由诺禾致源完成。
为了研究蜜蜂肠道菌群对碳水化合物的消化能力，作者鉴定了蜜蜂（Apis）和熊蜂（Bombus）的231个分离株基因组中的碳水化合物活性酶（CAZymes）基因。结果发现双歧杆菌属的糖苷水解酶（GH）基因比其它菌属都要多，其中包括 GH28 和 GH78，说明它们也有助于果胶的降解。而多糖苷裂解酶（PL）基因只存在 Gilliamella 菌的一个子集中(图1A)。为了确定不同的蜜蜂肠道细菌独特的糖基位点，作者对蜜蜂的肠道菌群进行宏基因组测序，发现 GH 和 PL 基因分布与基因组结果相似（图1B、C）。
图1 蜜蜂肠道微生物宏基因组数据 2.蜜蜂肠道双歧杆菌在其 GH 库中表现出菌株水平的变异
双歧杆菌基因组在涉及碳水化合物代谢的基因序列中表现出明显的种内和种间差异(图1A)。为了进一步研究双歧杆菌菌株的 GH 谱，作者对从 Apis 和 Bombus 中分离的双歧杆菌进行了系统基因组分析。基于共有核糖体蛋白基因的系统发育研究表明，来自蜜蜂肠道的双歧杆菌形成了单独的谱系(图2)，证实了先前的发现。值得注意的是，GH43 是蜜蜂肠道双歧杆菌中最丰富的 GH 家族基因，它参与了半纤维素和果胶的降解(图1A)。作者在这些基因组中鉴定到了 GH43 的10个亚家族。GH43 存在菌株间差异，虽然一些双歧杆菌含 GHs 较少，但几乎所有的双歧杆菌都具有代谢单糖的基因，这些单糖是通过多糖分解而释放出来。
图2 双歧杆菌菌株系统发育树 在人肠道拟杆菌中，CAZyme 编码基因与编码调节因子和转运蛋白的基因共定位并共调节，形成多糖利用位点(PULs)，使复杂碳水化合物糖化。在含半纤维素的培养基上培养来自 B.asteroidesclade II 的 W8111 菌种发现可以正常生长，说明该类 PUL 位点似乎可以消化多糖。随后作者用 W8111 和 W8102 菌种接种无菌蜜蜂并进行花粉和半纤维素喂食以表达肠道中的类 PUL 基因，发现所有7个 GH 家族基因均上调，不同亚家族的 GH 基因对半纤维素的响应强度不同(图3D)。这些发现表明 GH 基因可以广泛参与多种主要类型半纤维素的降解，或对某些特定类型半纤维素具有高度特异性。
为了证实编码的酶确实具有生化功能，作者对喂食不同多糖的 W8111 和 W8102 定植的蜜蜂肠道内容物进行了非靶向代谢组学分析。发现相同饲喂条件不同双歧杆菌菌株下代谢谱不同(图3C)。作者发现阿拉伯糖、半乳糖和木糖呈现的差异取决于肠道中的双歧杆菌菌株。这些单糖在半纤维素喂养的 W8111 定植的蜜蜂中显著升高(图3D-F)，证实了高 GH 指数的双歧杆菌能够消化半纤维素。
图3 涉及多糖消化的基因和代谢组数据 4.Gilliamella 菌是蜜蜂肠道中主要的果胶降解菌果胶酶可分为酯酶、清除性解聚酶(PLs)和水解解聚酶(GHs)。基于对 Gilliamella 的 CAZy 注释发现，PL1、PL9、PL22、乙酰酯酶(CE12)与核糖异构酶基因在1个基因组区域内共定位，形成一个模块结构(图4A)。根据比较基因组分析，发现与果胶降解相关的 PLs 和 GHs 是由 Gilliamella 的一个亚系获得(图4A)。为了确定果胶降解的基因是否受饮食中果胶的表达影响，作者在体内测量了 PL1、PL9、PL22 和 GH28 基因的转录反应。补充花粉或多聚半乳糖醛酸可导致单菌定植蜜蜂 G.apicola W8127 中所有相关基因上调(图4B)，说明 Gilliamella 在饮食果胶中起降解作用。W8127 定植的蜜蜂肠道内D-半乳糖醛酸的浓度高于 W8131 和无微生物的蜜蜂(图4C)。这一结果表明，具有 PL-CE 基因簇的 Gilliamella 菌是导致肠道中果胶降解的原因。
图4 Gilliamella 分离株的系统发育树及基因表达谱数据 本研究通过对蜜蜂肠道菌群宏基因组及肠道菌基因组的数据分析发现其肠道内双歧杆菌和 Gilliamella 是半纤维素和果胶的主要分解者。在双歧杆菌和 Gilliamella 基因组中，与多糖消化相关基因的分布存在显著的菌株水平多样性。双歧杆菌中，编码碳水化合物代谢酶的基因在基因组上聚合形成多糖利用位点，这一现象与人肠道的拟杆菌极为相似。本文首次利用无菌蜜蜂构建及肠道菌定植技术，通过 qPCR 及代谢组分析，证实了相关基因位点在对特定食物多糖组分 (木聚糖、阿拉伯聚糖、半乳聚糖) 的重要作用及调控情况。通过揭示蜜蜂肠道微生物与人体肠道微生物群落的相似性，为进一步利用蜜蜂模式动物体系，解析肠道菌群的协作、竞争、群落稳定性及对食物的高效降解提供了基础。
Hao Zheng, Julie Perreau, J. Elijah Powell, et al. Division of labor in honey bee gut microbiota forplant polysaccharide digestion [J]. PNAS, 2019,pii: 201916224.
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