螺旋体共生菌与黑胸散白蚁代谢相关性研究

螺旋体是很多木食性白蚁肠道中的优势共生菌群，但人们对螺旋体在白蚁体内的作用与功能鲜有认识。木食性白蚁肠道内鞭毛虫在消化纤维素过程中产生氢和二氧化碳，而乙酸是木食性白蚁肠道主要的代谢产物，因此人们推测螺旋体等共生菌在氢的消耗和二氧化碳还原过程中可能起着重要作用。在前期研究中我们发现木食性白蚁黑胸散白蚁肠道内数量最多的共生细菌为螺旋体，占肠道细菌总数的47%。本项目拟模拟肠道微生态环境分离螺旋体，并对分离株的理化特性、固氮活性、还原产乙酸作用等进行深入研究。同时，以还原产乙酸作用过程关键酶，甲基四氢叶酸合成酶基因为靶标，应用RTQ-PCR和T-RFLP等技术研究螺旋体与白蚁代谢之间的关系，以揭示螺旋体在黑胸散白蚁肠道内的生理作用与功能，对进一步阐明螺旋体在宿主纤维素降解过程中的作用，以及低等木食性白蚁与其肠道微生物之间的共生机制具有重要的意义。

螺旋体是很多木食性白蚁肠道中的优势共生菌，但人们对螺旋体在白蚁体内的作用与功能鲜有认识。本项目以黑胸散白蚁为对象研究了螺旋体与木食性白蚁代谢的相关性，所取得的主要结果如下：1.在厌氧和兼性厌氧条件下从黑胸散白蚁肠道分离到共生细菌66株，这些细菌属于肠球菌属，乳球菌属，柠檬酸杆菌属，约克氏菌属等7个属。尽管最终没有分离得到螺旋体，但也研究了从该白蚁分离到的其它共生菌的生理作用与功能，如纤维素降解活性与固氮活性。2.对一株疣微菌新种的研究发现，该菌基因组里包含很多与纤维素和半纤维素降解相关酶的基因，其中一个木聚糖酶基因异源表达后，对山毛榉木聚糖具有较高的降解活性。疣微菌是多种木食性白蚁肠道的共生菌，本研究对探讨肠道细菌共生机制具有重要意义。3.构建了黑胸散白蚁体内还原产乙酸作用的关键酶，甲基四氢叶酸合成酶（FTHFS）的基因文库，从中得到32个FTHFS基因，其中90%以上来源于螺旋体，少数来源于梭菌，说明螺旋体在黑胸散白蚁还原产乙酸过程中起了重要的作用。4.以不同浓度的甲硝唑和2-溴乙烷磺酸钠（BES）喂食工蚁，研究了螺旋体和甲烷菌对黑胸散白蚁代谢的影响。用甲硝唑处理白蚁一周，其释放甲烷的量逐渐降低，说明甲硝唑对甲烷菌也有一定的抑制作用。1000mg/l甲硝唑处理三周后白蚁全部死亡；用BES处理白蚁一周，甲烷菌受到明显抑制，几乎检测不到甲烷的释放，但白蚁仍可以存活较长时间。元基因组研究发现，甲硝唑处理白蚁后肠道细菌组成发生了明显变化。螺旋体的数量显著降低，1000mg/l甲硝唑处理二周后，白蚁肠道内完全检测不到螺旋体，但变形菌、拟杆菌和厚壁菌的数量明显增加，说明甲硝唑能有效地抑制螺旋体。BES处理白蚁后，细菌群落组成比对照组没有明显差异，而甲烷菌数量减少或消失。荧光定量PCR研究也表明甲硝唑处理后FTHFS基因明显减少。综合分析本研究的结果表明，在黑胸散白蚁体内，以螺旋体为主的同型产乙酸菌超越甲烷菌在氢的消耗和二氧化碳还原中起着重要的作用。本研究在国内外首次证明螺旋体等还原产乙酸菌对低等木食性白蚁的正常代谢是必不可少的，通过还原产乙酸作用螺旋体不仅移除了代谢中间产物氢而且生成了乙酸为白蚁提供营养，这很可能是螺旋体与低等木食性白蚁共生的一种重要机制，对进一步揭示肠道微生物与白蚁的共生机理具有重要的意义。