肠道共生微生物的侵染格局及其对植食性甲虫寄主适应和物种分化的影响

Adaptations of herbivorous insects in behavior, morphology and physiology are required for successful host shifting. Novel plant secondary metabolites are usually great challenge for herbivorous insects. The “gut microbial facilitation hypothesis” suggested that gut microbes may facilitate insect herbivory of chemically defended plants. However, studies directly addressing this hypothesis are relatively few. In present study, using leaf beetle systems, we hope to (1) test the hypotheses that host plant structure gut bacterial communities by 16S rRNA pyrotag analysis; (2) address the origin and transmission strategy of gut symbionts by life history study and 16S rRNA pyrotag analysis; (3) estimate the potential function of gut symbionts by antibiotic treatment; and (4) compare the community functions based on metagenomic and metatranscriptomic analyses. The study will provide deeper insight into host plant specialization and speciation of herbivorous insects.

植食性昆虫寄主转移需要在行为、形态和生理等方面产生一系列适应，对植物次生物质的解毒是其中的关键。除了昆虫自身基因的适应性改变之外，肠道微生物能够协助宿主昆虫克服取食障碍，即所谓的“肠道微生物助力假说”。但目前支持这一假说的实例还非常有限。本研究拟以叶甲科昆虫为研究对象，开展如下工作：（1）利用16S rRNA基因pyrotag测序技术对甲虫肠道微生物的群落结构进行解析；（2）通过16S rRNA基因pyrotag测序技术和生活史研究揭示叶甲肠道共生微生物的来源和传播机制；（3）采用人工饲料添加抗生素的方法处理，通过测定幼虫死亡率、发育速率以及成虫繁殖力等指标来分析肠道微生物对跳甲寄主植物利用的影响；（4）结合宏基因组和宏转录组技术对肠道微生物群落的基因功能进行预测和部分验证，以此探讨共生微生物对叶甲寄主植物转移的影响。本研究的开展将有助于全面和深入理解植食性昆虫寄主专化和物种形成机制。

越来越多的证据显示，共生微生物在植食性昆虫的寄主植物适应和物种分化过程中起到重要作用。本研究主要以跳甲（Altica）为研究对象开展了系列工作，主要取得了如下结果：.① 采用分子检测、抗生素治疗和交配实验等方法对胞内共生菌Wolbachia在跳甲中的侵染格局及其对跳甲生殖隔离的影响进行了研究。结果表明，Wolbachia在跳甲中具有高达97%的个体感染率，但广泛存在的Wolbachia并不是蛇莓跳甲和老鹳草跳甲之间单向杂交不亲和的原因，对跳甲近缘种间的生殖隔离没有显著的贡献。.② 采用16S扩增子测序和抗生素治疗等方法对三种跳甲肠道细菌多样性及肠道微生物对寄主适合度的影响进行了研究。结果表明，肠道细菌的群落结构没有表现出非常清晰的宿主特异性，但广泛存在的肠道细菌对宿主的适合度依然存在贡献。跳甲属昆虫可以从广泛存在的环境微生物中通过选择性“招募”的方式塑造自身的功能性群落，这些短暂存在于宿主体内的微生物会产生功能性差异以应对不同的植物防御性物质。通过这种方式，肠道微生物在跳甲的寄主植物适应和物种形成过程中发挥着重要作用。.③ 利用Illumina和PacBio测序数据，选用了二代和三代测序数据混合拼装的方法组装出了老鹳草跳甲基因组草图。分析结果显示，和广食性甲虫相比，专食性老鹳草跳甲的化学感受基因和解毒酶基因数量上存在减少现象，但一些和寄主植物适应相关的基因存在特异性扩张现象，一定程度上揭示了专食性甲虫寄主植物的适应机制，为后续研究奠定了良好基础。.④ 在老鹳草跳甲全基因组测序工作的基础上，基于宏转录组技术对跳甲及其肠道共生微生物在跳甲寄主植物适应的过程中可能存在的协同作用进行了研究。结果表明，跳甲种类和其取食的植物既影响跳甲基因的表达模式也影响到肠道共生微生物群落结构和功能基因表达模式。大量来自跳甲和肠道微生物的不同处理间的差异表达基因被富集到降解植物次生代谢物质的信号通路，表明跳甲和肠道微生物在植物适应过程中存在一定协同贡献。