德国小蠊(Blattella germanica)从粪便与环境输入中选择微生物群分类单元

《Insects》：Blattella germanica Selects Microbiota Taxa from Feces and Environmental Inputs

　　

蟑螂表现出双重共生关系：一是与Blattabacterium spp.（下称Blattabacterium）的专性细胞内共生，二是复杂的细胞外非垂直传递的肠道微生物群(gut microbiota)，后者可能受水平传递因素影响。研究人员利用16S rRNA基因扩增子测序开展了四项实验，分析成年蟑螂后肠(hindgut)与粪便的微生物群，旨在了解环境、粪便以及宿主对后肠微生物群获得与发育的影响。研究人员观察到样本类型（后肠vs粪便）、饲养条件（环境即地点与饲粮）、食粪(coprophagy)及宿主均影响微生物群组成。初始无菌(germ-free)蟑螂置于非无菌条件下且阻断亲代食粪时，无法发育出对照种群的正常微生物群，表明食粪对获得正常微生物群至关重要；这也显示在无亲代粪便输入时，蟑螂肠道微生物群显著减少。此外，在比较三种蟑螂物种的粪便微生物群差异时，美洲大蠊(Periplaneta americana)与德国小蠊(Blattella germanica)间分歧最大，东方蜚蠊(Blatta orientalis)处于中间位。因此研究人员选择美洲大蠊对德国小蠊进行粪便移植(fecal transplantation)。该移植实验表明不同物种会选择不同的肠道微生物，即便接收其他物种的粪便，仅保留其中一部分细菌。综上，这些结果提示除环境因素与粪便因素外，宿主物种对塑造蟑螂肠道微生物群的影响最强。

论文解读：德国小蠊(Blattella germanica)从粪便与环境输入中选择微生物群分类单元

研究背景方面，昆虫体内普遍存在与细菌的共生关联，可分为专性细胞内共生（如Blattabacterium，参与氮代谢等营养功能，垂直传递）和复杂的细胞外肠道微生物群(gut microbiota，非垂直传递，受水平因素如环境、食物、社会行为等影响，参与消化、解毒、免疫调节等）。蟑螂作为城市重要害虫，同时具备上述两类共生系统，其肠道微生物群组成受多因素影响（宿主遗传背景、环境、饲粮、生活史阶段、食粪(coprophagy)等社会行为），但宿主遗传与环境暴露的相对贡献尚不清楚；尤其德国小蠊是典型社会性蜚蠊，新生若虫初始无菌，主要通过取食成虫粪便（食粪）获得肠道微生物群，而Blattabacterium仅存在于卵鞘(ootheca)内并通过经卵传递，肠道微生物群无垂直传递。明确宿主与环境各自对肠道微生物群组装(assembly)的贡献，对理解昆虫－微生物共生演化、城市害虫管理均具意义。该论文发表于《Insects》，旨在通过控制实验分离环境、粪便输入、宿主物种等因素，量化其对德国小蠊成虫肠道微生物群获得与发育的影响。

关键技术方法上，研究人员主要采用以下方法：建立同步化德国小蠊种群，通过表面消毒成熟卵鞘并获得初始无菌(germ-free)若虫（无菌质控采用BHI琼脂培养）；设置四项独立实验——实验1比较相同遗传背景但分离约20年、在不同地点（巴塞罗那IBE rB与瓦伦西亚I2SysBio rV1）以不同饲粮饲养的德国小蠊种群的后肠与粪便微生物群；实验2将无菌若虫置于两个不同非无菌环境（rV1与瓦伦西亚ICBiBE rV2）、同种饲粮、阻断亲代粪便接触（无食粪），评估环境与食粪缺失效应；实验3比较三种实验室饲养蟑螂物种（德国小蠊各地点种群、东方蜚蠊、美洲大蠊）的粪便微生物群；实验4对无菌德国小蠊若虫分别移植同物种（德国小蠊）粪便与异物种（美洲大蠊）粪便，在不同对应环境饲养以避免交叉污染，分析受体后肠微生物群。样本采集后肠组织与粪便，提取总DNA，扩增16S rRNA基因V3–V4区，Illumina MiSeq双端测序；生物信息流程用Cutadapt去除引物、DADA2推导扩增子序列变体(ASV)、IDTAXA比对SILVA v138数据库进行分类注释；下游统计在R中用Microbiome、Phyloseq、Vegan等包计算α多样性（Observed Richness、Shannon指数）、β多样性（Aitchison距离、CLR变换主成分分析PCA、PERMANOVA）、差异丰度（ALDEx2）、核心微生物群分析等；样本队列来源于上述四个实验设定的各处理组，每组取成虫雌性后肠若干、粪便若干，均来自对应控制饲养笼群。

研究结果如下：

3.1 全局微生物多样性（Global Microbial Diversity）：通过对全部样本测序与过滤得到3004个ASV；优势门为Bacteroidota（平均43.09%）、Firmicutes（24.68%）、Proteobacteria（12.55%）等；属水平多数未分类，已分类中以Fusobacterium（9.18%）、Dysgonomonas（8.58%）、Desulfovibrio（3.96%）较丰富但食粪阻断样本中显著耗减。α多样性显示粪便最高，东方蜚蠊粪便高于德国小蠊与美洲大蠊；食粪阻断的后肠最低且无显著差异两地间；种间移植以美洲大蠊粪便移植组丰富度与多样性低于同物种移植组及对照后肠。β多样性（ASV与属水平PCA）表明宿主与微生物来源物种效应明显，德国小蠊内食粪阻断样本与其余差异大，不同饲养地点也分开；美洲大蠊粪便移植组在ASV水平介于德国小蠊各组间，属水平更接近德国小蠊样本；PERMANOVA各分组差异显著，部分组间离散度差异显著。

3.2 德国小蠊孪生种群比较（Comparison of the Gut Microbiota of Twinned Populations of B. germanica）：实验1PCA显示第一主成分按饲养地点（rB vs rV1）分离，关联分类群如未分类Desulfobacterales、Elusimicrobium、Endomicrobium表征rV1，Candidatus Symbiothrix、Pedicoccus、Acinetobacter表征rB；第二主成分分离样本类型（粪便vs后肠），未分类Yersiniaceae、Bacteroides、Paludibacter表征粪便，Acetobacter、Harryflintia、Ralstonia表征后肠。PERMANOVA中饲养地点解释最大变异（R²=0.446），样本类型次之（R²=0.195），交互显著。尽管差异，多数属为四组共有；各组合有独有属，粪便特有属较多。

3.3 环境效应（排除饲粮）与食粪对肠道微生物群的影响（Exploring the Environmental Effect (Excluding Diet) and Coprophagy on the Gut Microbiota）：实验2PCA第一主成分分离有无亲代食粪（对照后肠vs无菌非食粪后肠），未分类Enterobacterales、Pseudomonas、Delftia向无食粪组；Alistipes、Mucispirillum、Tannerella向对照；第二主成分按环境（rV1 vs rV2）分离，未分类Enterobacterales表征rV1，Hydrogenoanaerobacterium、Erysipelatoclostridium表征rV2。PERMANOVA无食粪解释最大（R²=0.496），环境次之（R²=0.317）。三组共有29个属，但食粪阻断组中多数极度耗减，少数环境来源菌富集；27个属仅存在于rV1对照后肠，这些属也见于两地德国小蠊粪便但不见于食粪阻断后肠，说明它们源自粪便而非环境。

3.4 三种蟑螂物种粪便微生物群比较（Comparison of the Fecal Microbiota of Three Cockroach Species）：实验3PCA第一主成分按宿主物种分离，美洲大蠊粪便与德国小蠊差异最大，东方蜚蠊居中；未分类Micrococcales、Candidatus Symbiothrix、Elizabethkingia、Serratia表征德国小蠊，Ruminococcus、未分类Burkholderiales表征东方蜚蠊与美洲大蠊；第二主成分按饲养地点分离。PERMANOVA宿主解释最大变异（R²=0.367–0.56），地点次之（R²=0.343）。三者粪便共享73属；德国小蠊独有1属，东方蜚蠊独有2属，美洲大蠊独有12属；18属共享于东方蜚蠊与美洲大蠊但缺德国小蠊。因美洲大蠊与德国小蠊粪便差异最大且独有分类群最多，选为异种粪便移植供体。

3.5 跨种蟑螂粪便移植（Inter-Species Cockroaches’ Fecal Transplantation）：实验4PCA第一主成分主要受宿主物种影响（德国小蠊vs美洲大蠊粪便来源与环境rV1 vs rV2混合），Ruminococcus、未分类Lactobacillaceae向美洲大蠊/rV2正轴，未分类Marinifilaceae、未分类Desulfobacterales向德国小蠊/rV1负轴；第二主成分反映样本类型、移植、供体粪便物种等。PERMANOVA宿主解释变异最大（R²=0.146–0.362），其余变量均显著。各组共享61属；粪便独有属多限于各供体物种（美洲大蠊49属，德国小蠊25属）；仅9属共享于两物种粪便但缺后肠。差异丰度分析显示同物种移植后肠与对照后肠聚类相近，美洲大蠊粪便移植后肠结构不同且丰富度较低，说明宿主过滤只保留部分供体微生物群。

3.6 核心微生物群分析（Analysis of the Core Microbiome）：对照条件下德国小蠊后肠核心（普遍存在、相对丰度≥0.0001、检出率100%）含Fusobacterium、Dysgonomonas、Alistipes、Candidatus Soleaferrea、Desulfovibrio等，多为Bacteroidota、Firmicutes、Proteobacteria；后肠核心最少分类单元，无Patescibacteria与Verrucomicrobiota（粪便核心有）。东方蜚蠊粪便核心独有Cyanobacteria、Anaerofustis等；美洲大蠊粪便核心最多且独有Synergistota、Fibrobacterota、Campilobacterota、Halobacterota及Fretibacterium、Akkermansia、古菌Methanimicrococcus等。

讨论部分总结：四项实验整体表明成虫肠道微生物群获得为多因子过程，环境（饲粮、地点）与粪便（食粪）均有作用，但宿主物种影响最强。实验1中同遗传背景分离20年的种群虽受环境微调，但核心微生物群靠食粪传递与宿主选择维持相似，说明宿主筛选压制了环境导致的分化。实验2证实无亲代粪便输入时，蟑螂仅从环境获菌导致多样性骤降且群落结构不同，凸显食粪对正常肠道微生物群建立的关键性。实验3显示即使同环境同饲粮，宿主物种决定粪便微生物群组成，蜚蠊科（东方蜚蠊、美洲大蠊）较近，德国小蠊（蜚蠊科外Ectobiidae）较远，支持宿主系统发育关联。实验4异种粪便移植后德国小蠊后肠仅保留部分美洲大蠊来源分类群、多样性降低，表明宿主过滤（可能通过免疫途径如Toll、IMD、JAK/STAT，后肠理化条件如氧梯度、pH、营养可用性等）限制非适应菌定植；结果与果蝇等昆虫宿主选择性定植一致。粪便间差异大于受体后肠间差异，再次印证宿主强塑造作用。核心微生物群比较揭示不同物种与样本类型（后肠vs粪便）核心分类单元差异，德国小蠊后肠核心精简，美洲大蠊粪便核心最丰富且含独特门级类群。研究者指出局限含组内个体来自同一笼群故实验单元实为种群、样本为子样，且每组样本量有限，应视为受控条件下的模式而非直接外推广泛群体；需未来独立种群重复与更大样本验证。结论：环境（饲粮、地点）与粪便（食粪）参与德国小蠊肠道微生物群发育，但宿主物种是塑造其肠道微生物群的最强因素；宿主通过选择性过滤（免疫、生理、代谢兼容性）从可获得分类单元中维持特定群落。