PNAS | 蜜蜂肠道菌群对植物多糖的消化如何进行分工？(国人作品)

推荐：江舜尧

编译：小太阳

编辑：小菌菌

中国农业大学食品科学与营养工程学院及北京食品营养与人类健康高精尖创新中心郑浩研究团队与美国德克萨斯大学Nancy Moran院士合作，于2019年11月27日在国际权威杂志PNAS发表题目为《Division of labor in honey bee gut microbiota forplant polysaccharide digestion》的文章，该研究为揭示蜜蜂肠道菌群对植物多糖消化的分工协作机制提供了重要参考。

文章摘要

研究背景：蜜蜂自身所需的碳水化合物和氨基酸主要来源于花蜜和花粉，这些物质中还含有丰富的多糖，主要包括纤维素、半纤维素和果胶。蜜蜂肠道中的微生物能够将这些物质消化分解并释放出对宿主有益的短链脂肪酸。然而，肠道中不同菌属对多糖消化的分工协作机制还尚未明确。

方法：本文通过对细菌分离株的基因组分析和蜜蜂肠道菌群的宏基因组分析研究了不同菌属在植物多糖消化过程中的分工，利用代谢组学技术研究了蜜蜂的肠道代谢组学特征。

结果：通过分析蜜蜂肠道微生物中碳水化合物活性酶发现，不同菌属中的碳水化合物活性酶存在差异，同时证实了GH基因和 PL 基因主要存在于双歧杆菌和Gilliamella菌中，这两种菌属分别是降解半纤维素和果胶的主要菌属；通过对蜜蜂肠道中分离出的双歧杆菌的系统发育树分析发现，不同GH 基因的含量和分布在不同菌株之间存在差异；通过对蜜蜂双歧杆菌基因组中 GH 基因的分析发现，GH基因能够形成多糖利用位点基因座，从而参与不同半纤维素底物的分解；通过对蜜蜂肠道菌群基因组中与氨基酸合成相关的基因进行分析发现，某些细菌自身无法合成氨基酸，需要依赖于其他菌种提供。

结论：本研究揭示了蜜蜂肠道菌群与人类肠道菌群存在相似之处。蜜蜂的肠道菌群在与宿主共同进化的过程中形成了紧密的互利共生关系，肠道菌群对植物多糖进行消化分解以供宿主利用，虽然其肠道菌群群落组成简单，但存在一种特定高效的合作方式。本研究为进一步解析肠道菌群的互作关系、群落稳定性及对食物高效的消化和代谢提供了基础。

文中重要图片说明：

图1 |（A）蜜蜂肠道菌群中双歧杆菌、乳杆菌、Gilliamella菌基因组中 GH 和 PL 家族的平均相对丰度。（B）A. mellifera蜜蜂肠道菌群中重要菌属的相对丰度。（C）GH/PL 基因中不同菌属的数量分布情况。

图2 |双歧杆菌菌株的系统进化树。

图3 |参与多糖消化的基因组结构、表达和功能。（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。（B）GH对不同半纤维素底物响应的基因表达谱。（C）基于阿拉伯糖、半乳聚糖或木葡聚糖补充蔗糖饲喂的w8111定殖或w8103定殖的蜜蜂的肠道中687种代谢物的偏最小二乘判别分析结果。

图4|（A）Gilliamella分离菌株的系统进化树。（B）相对于对照(蔗糖糖浆)，饲喂花粉和多聚半乳糖醛酸的单接种蜜蜂的G.apicola W8127所有基因在体内的基因表达谱。（C）饲喂多聚半乳糖醛酸的单接种和无菌蜜蜂的肠道中半乳糖醛酸的浓度(n=5~6)

图5|（A）蜜蜂肠道中231个细菌分离菌株基因组中影响氨基酸合成的基因。（B）在Snodgrassella菌株和Bartonella菌株中发现的包含琥珀酰辅酶 A转移酶途径和蛋氨酸合成途径的三羧酸循环途径。

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