共生细菌在象白蚁木质纤维素降解过程中的作用与机理研究

The symbiotic association between wood-feeding termites and their intestinal microbiota is a typical symbiosis system in nature. However, so far our understanding of the mechanisms of the symbiotic microbiota in lignocellulose degradation is poor. Nasutitermes is a kind of wood-feeding higher termite that can degrade lignocellulose efficiently, which is a good model for the study of symbiotic relationships between termites and their intestinal microbiota. Based on primary studies on the symbiotic bacteria of Nasutitermes sp., in this project, we will use electromicroscopy, analytical chemistry techniques and high-throughput sequencing techniques to study the relationships among the physical status of lignocellulose, metabolic intermediates and symbiotic bacterial community structures of different intestinal compartments of Nasutitermes sp., in order to understand the roles of symbiotic bacteria in the process of lignocellulose degradation. In the meantime, we will isolate and purify dominant bacteria like Fibrobacteres and Bacteroides with different methods and techniques and analyze the physiochemical characteristics, metabolic pathways and cellulolytic capabilities of these isolates. Fluorescence in situ hybridization and quantitative real-time PCR will be used to localize and quantify major bacterial isolates. All these studies will give evidence for the understanding of the functions and mechanisms of symbiotic bacteria in the gut of Nasutitermes in the process of cellulose degradation. This project will make great scientific significance in the elucidation of the essence of the symbiotic association between wood-feeding termites and their intestinal microbiota.

木食性白蚁与其肠道微生物的共生关系是自然界生物共生的典型例子。然而，迄今为止人们对共生微生物协助白蚁降解木质纤维素的机制鲜有认识。象白蚁是一类能高效降解木质纤维素的高等木食性白蚁，是研究微生物与白蚁共生机制的良好模型。本项目拟在对海南象白蚁肠道共生细菌初步研究基础上，应用电镜、分析化学和高通量测序等技术研究木质纤维素在象白蚁肠道不同部位物态变化、代谢产物与共生细菌菌群结构之间的相关性，探讨共生细菌在木质纤维素降解过程中的作用。同时，模拟肠道理化条件分离纯化丝状杆菌、拟杆菌等优势共生细菌，对分离菌进行理化特征、代谢途径和纤维素降解活性等功能分析。采用原位杂交和荧光定量PCR等技术对分离菌进行定位和定量，为阐明共生细菌在象白蚁木质纤维素降解过程中的作用与机理提供证据。本项目对深入解析木食性白蚁与肠道微生物共生关系的本质具有重要的科学意义。

象白蚁是一类能高效降解木质纤维素的高等木食性白蚁，其肠道共生细菌在木质纤维素降解过程中的作用有待阐明。本项目利用多种技术对象白蚁肠道共生细菌进行了研究，取得的主要成果如下：1.用扫描电镜研究了象白蚁肠道内纤维素降解的物态变化，观察到大量共生细菌如螺旋体附着在纤维素表面并使其降解、碎片化的过程，说明螺旋体等细菌与纤维素降解密切相关。后肠各区域代谢产物以乙酸为主，其中P1区和P3区还有少量丙酸，P4区和P5区还有少量乳酸。2. 对肠道共生菌16S rRNA的元基因组测序表明，不同区域共生细菌的结构及组成明显不同。厚壁菌主要分布在前、中肠，螺旋体和丝状杆菌等与纤维素降解相关的细菌主要分布在后肠的P3区，而拟杆菌和紫细菌主要分布在后肠的P4、P5区。3. 根据象白蚁肠道不同区域的理化性质，在不同培养条件下分离到共生细菌近千株，分属于33个属。其中，厚壁菌门的乳球菌属和梭菌属最占优势，很多共生细菌首次从象白蚁肠道分离出来。P3区有不少纤维单胞菌，说明共生细菌直接参与了象白蚁对木质纤维素的降解。4. 荧光定量PCR研究表明，厚壁菌占象白蚁肠道细菌总量的11.8%，是一个优势菌群，主要分布在前肠和中肠，后肠也有少量分布。很多梭菌具有固氮酶nifH基因，并能在无氮培养基上生长，说明其具有固氮活性。5. 对分离菌16S rRNA基因的分析表明，有7株细菌为可能的新种，其中4株为乳球菌、2株为类芽孢杆菌、1株为丙酸杆菌。对部分新菌的生理生化特性进行了系统研究，对一些重要共生菌的生理功能进行了探讨。如：类芽胞杆菌和纤维单胞菌能有效降解纤维素，丙酸杆菌能够利用葡萄糖发酵产丙酸等。本项目通过对肠道分离菌的研究，证实了梭菌等共生细菌的固氮活性，纤维单胞菌、类芽孢杆菌等共生细菌的纤维素降解活性，及乳球菌和丙酸杆菌等对纤维素降解产物进一步代谢的功能，阐明了肠道共生细菌在象白蚁纤维素降解过程中发挥的作用，对进一步探讨肠道微生物与宿主的共生机制具有重要的理论意义和科学价值。