吳雨祺，鄭宇斐，鄭火青，胡福良

(浙江大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，杭州 310058)

腸道菌群是動(dòng)物消化道中復(fù)雜的微生物群落的統(tǒng)稱。近年來，大量研究發(fā)現(xiàn)動(dòng)物腸道內(nèi)的微生物與宿主的關(guān)系不僅僅是單純的共棲，有些微生物對(duì)宿主有著多種有益的作用，包括參與食物的消化(Nikohetal.,2011)、分泌多種有益的物質(zhì)(Shinetal.,2011)、分解有毒成分(Ceja-

Navarroetal.,2015)等。除此之外，腸道菌群還參與調(diào)控宿主的生理(Buchonetal.,2009)、發(fā)育(Storellietal.,2011)、免疫(Kaltenpoth and Engel,2014)，是宿主正常發(fā)育和健康生活不可或缺的參與者。

昆蟲是陸地生態(tài)系統(tǒng)中生物數(shù)量、種類以及生態(tài)習(xí)性最為豐富的動(dòng)物類群，也是生物多樣性最高的群體之一(Chapman,2013)。由于昆蟲與人類健康和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著密切的聯(lián)系，針對(duì)昆蟲腸道微生物的研究一直廣受關(guān)注。2007年，有學(xué)者首次報(bào)道了蜜蜂腸道菌群的組成(Cox-Fosteretal.,2007)，此后大量的研究展現(xiàn)了蜜蜂腸道菌群對(duì)其宿主的重要作用(Kwong and Moran,2016;Bonilla-Rosso and Engel,2018;Raymann and Moran,2018)。作為一種重要的經(jīng)濟(jì)昆蟲和模式生物(鄭火青和胡福良，2009；Zhengetal.,2018)，蜜蜂具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)價(jià)值，對(duì)其腸道菌群功能的研究能使我們對(duì)蜜蜂生物學(xué)有更進(jìn)一步了解，同時(shí)蜂群飼養(yǎng)管理與生產(chǎn)等方面具有重要意義。因此，本文對(duì)近幾年西方蜜蜂腸道菌群及其功能研究進(jìn)行綜述，以期為相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步研究提供借鑒。

1 蜜蜂腸道菌群的組成

與大多數(shù)昆蟲不同，蜜蜂屬下各個(gè)成員的腸道菌群的組成表現(xiàn)出高度的保守性和特殊性(Kwongetal.,2017b)。基于16s rRNA測序技術(shù)的研究顯示，西方蜜蜂成年工蜂的腸道菌群主要由9種細(xì)菌組成(Kwong and Moran,2016;Kwongetal.,2017b)，其中5種為蜜蜂的核心菌種，大量穩(wěn)定的存在于蜜蜂的腸道中，包括：β-變形菌綱的Snodgrassellaalvi、γ-變形菌綱的Gilliamellaapicola、厚壁菌門乳桿菌屬的LactobacillusFirm-4與LactobacillusFirm-5以及放線菌門的Bifidobacteriumspp.；此外還有γ-變形菌綱的Frischellaperrara、葡糖桿菌屬的Commensalibactersp.、醋桿菌科的Parasaccharibacterapium和巴爾通氏體屬的Bartonellaapis這4種普遍存在的菌種。這9種細(xì)菌組成了蜜蜂腸道菌群的主要菌群。這些細(xì)菌主要定植于工蜂的后腸(Martinsonetal.,2012;Powelletal.,2014)，其中S.alvi和G.apicola主要存在于回腸中，而LactobacillusFirm-4、LactobacillusFirm-5和Bifidobacteriumspp.則主要分布于直腸(Martinsonetal.,2012;Kwongetal.,2017b)，在蜜囊和中腸中則只有非常少量的細(xì)菌存在(Martinsonetal.,2012)。

針對(duì)西方蜜蜂工蜂生長發(fā)育過程中腸道菌群變化的研究顯示，與成年工蜂不同，工蜂幼蟲并沒有一個(gè)穩(wěn)定的腸道菌群組成(Martinsonetal.,2012)。而由于蛹期蜜蜂器官的重構(gòu)，新羽化出房的工蜂體內(nèi)也幾乎沒有細(xì)菌的存在(Martinsonetal.,2012)，之后隨著工蜂在巢內(nèi)的活動(dòng)，于6日齡左右形成完整而穩(wěn)定的腸道菌群(Powelletal.,2014)。針對(duì)工蜂腸道菌群來源的研究則發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)室中飼養(yǎng)的無菌工蜂，只有在與工蜂后腸提取物直接接觸的情況下，才會(huì)形成正常的腸道菌群，單純接觸巢脾或者哺育蜂則不足以使無菌工蜂形成穩(wěn)定的腸道菌群(Bonilla-Rosso and Engel,2018)。

西方蜜蜂蜂群中的另外兩個(gè)重要的成員-蜂王和雄蜂的腸道菌群在組成上與成年工蜂也有著顯著的差異，同時(shí)這二者的腸道菌群組成也并不穩(wěn)定(Kapheimetal.,2015)。造成這些差異的原因目前尚不明確，可能與它們?cè)谏?、行為和食物上的差異有關(guān)；有學(xué)者認(rèn)為蜂王腸道菌群很有可能受到其特殊的食物——蜂王漿的影響(Corby-Harrisetal.,2014)。

2 蜜蜂腸道菌群的功能

2.1 代謝功能

蜜蜂以花蜜與花粉為食，其中花蜜是主要的糖類物質(zhì)來源，而花粉則是包括蛋白質(zhì)和脂肪酸在內(nèi)的多種營養(yǎng)素的重要來源。在蜜蜂對(duì)花蜜和花粉的代謝過程中，蜜蜂的腸道菌群起著重要的作用。

宏基因組學(xué)是腸道菌群功能研究中的一個(gè)重要手段。Engel等(2012)利用宏基因組，對(duì)西方蜜蜂腸道菌群的功能進(jìn)行了深入的挖掘，他們發(fā)現(xiàn)有大量的基因被注釋到糖類的運(yùn)輸與代謝功能，包括參與糖類物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的磷酸轉(zhuǎn)移酶組件等；此外，他們還發(fā)現(xiàn)這些細(xì)菌除了能代謝花蜜和蜂蜜中常見的二糖、果糖和葡萄糖外，還具備代謝甘露糖、樹膠醛糖等蜜蜂本身無法代謝或者對(duì)蜜蜂有毒性的糖類物質(zhì)的功能(Engeletal.,2012)。大量針對(duì)蜜蜂腸道中單一菌種的基因組測序和體外培養(yǎng)試驗(yàn)同樣證明了這一點(diǎn)(Engeletal.,2013;Ellegaardetal.,2015;Leeetal.,2015)。

G.apicola是蜜蜂腸道菌群的一個(gè)核心菌群。Zheng等(2016)測序并比較了42株來自于西方蜜蜂、東方蜜蜂和熊蜂的G.apicola菌株的基因組。他們發(fā)現(xiàn)這些菌株在碳水化合物代謝相關(guān)基因上有著很大的區(qū)別，其中部分菌株可以賦予蜜蜂利用正常情況下對(duì)其有毒的甘露糖、樹膠醛糖、木糖和鼠李糖作為碳源的能力，這表明G.apicola能提升其宿主對(duì)有毒食物的耐受甚至直接利用的能力，并且對(duì)蜜蜂的健康有著重要的作用。

花粉是蜜蜂重要的營養(yǎng)來源，長期以來一直有學(xué)者懷疑花粉在儲(chǔ)藏過程中會(huì)不斷的被微生物降解，但是Anderson等(2014)的研究顯示，蜂群中儲(chǔ)存的花粉中的微生物并沒有參與到花粉的降解，表明花粉的消化主要發(fā)生在蜜蜂的腸道中。而在西方蜜蜂腸道菌群基因組測序中，檢測出了包括果膠裂解酶在內(nèi)的多種參與植物細(xì)胞壁多糖降解的功能酶編碼基因，顯示蜜蜂腸道細(xì)菌在花粉壁與植物果膠的降解代謝中起著重要的作用，而進(jìn)一步的體外實(shí)驗(yàn)則證明Gilliamella是蜜蜂腸道菌群中唯一能降解果膠的細(xì)菌(Engeletal.,2012)。

通過比較無菌工蜂和正常工蜂腸道代謝組的差異，Kesnerova等(2017)首次明確了西方蜜蜂工蜂腸道菌群在消化花粉上的作用。他們發(fā)現(xiàn)，在正常工蜂和無菌工蜂的腸道內(nèi)容物之間，有372種物質(zhì)的含量有著顯著的差異；其中多種黃酮類物質(zhì)和花粉壁的組成成分的含量在無菌工蜂腸道中明顯上調(diào)；而在正常工蜂的腸道中，發(fā)酵產(chǎn)物和類花生酸的含量明顯上調(diào)。進(jìn)一步利用單菌株人工定植和蜜蜂腸道細(xì)菌的體外培養(yǎng)，他們證實(shí)了這些代謝的變化與蜜蜂的腸道菌群有關(guān)，顯示工蜂腸道菌群在代謝難以直接消化和吸收的植物黃酮與花粉成分的代謝中起著重要的作用；同時(shí)他們發(fā)現(xiàn)蜜蜂的腸道細(xì)菌在種群間存在交互共生的現(xiàn)象，即蜜蜂某種腸道細(xì)菌的代謝產(chǎn)物可以被蜜蜂腸道菌群的其他成員進(jìn)一步利用。

2.2 對(duì)宿主生理的影響

在動(dòng)物的腸道中，腸道菌群可以通過發(fā)酵作用，將宿主的食物轉(zhuǎn)變成乙酸、丁酸等短鏈脂肪酸(Cummingsetal.,1987)。這些物質(zhì)除了作為腸道上皮細(xì)胞重要的能量來源以外，還參與調(diào)節(jié)宿主的腸道生理環(huán)境，維護(hù)宿主健康(Donohoeetal.,2011)；短鏈脂肪酸同時(shí)還能通過激活或調(diào)節(jié)宿主的多種代謝通路進(jìn)而影響宿主的生理與行為(Cryan and Dinan,2012)。對(duì)果蠅的研究顯示，果蠅的一種腸道細(xì)菌Acetobacterpomorum可以通過生成短鏈脂肪酸，調(diào)節(jié)果蠅的胰島素通路，進(jìn)而影響果蠅的發(fā)育(Shinetal.,2011)。

利用無菌工蜂模型，Zheng等(2017)證實(shí)了西方蜜蜂工蜂的腸道菌群對(duì)工蜂的發(fā)育也有著顯著的影響。與正常工蜂相比，無菌工蜂的生長速率、卵黃原蛋白基因表達(dá)和伸吻反應(yīng)都有著明顯的降低；進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，正常工蜂胰島素/類胰島素信號(hào)通路相關(guān)基因的表達(dá)都有著明顯的上升，這可能是由正常工蜂與無菌工蜂腸道中代謝物的組成差異所造成的；代謝組分析顯示，與無菌工蜂相比，正常工蜂的腸道內(nèi)有著更多的能被蜜蜂吸收利用的短鏈脂肪酸和必需氨基酸；同時(shí)他們還證明了蜜蜂的腸道菌群會(huì)影響其宿主腸道內(nèi)的氧氣含量、pH值與氧化還原電位等。

2.3 免疫功能

除了參與宿主的消化代謝和調(diào)控宿主的生理發(fā)育與信號(hào)通路，腸道菌群在維護(hù)宿主的健康上也起著重要的作用。

在蜜蜂腸道幽門部分的腸道上皮細(xì)胞的表面，經(jīng)常能觀測到一種類似結(jié)痂的結(jié)構(gòu)，這由于蜜蜂免疫反應(yīng)中的黑化作用造成的。通過人為定植蜜蜂常見的腸道細(xì)菌，Engel等(2015)證實(shí)這一現(xiàn)象是由蜜蜂腸道菌群中的Frischellaperrara引發(fā)的。進(jìn)一步比較無菌工蜂、定植F.perrara或Snodgrassellaalvi工蜂腸道的基因表達(dá)譜，發(fā)現(xiàn)腸道菌群能顯著影響免疫相關(guān)基因的表達(dá)，特別是黑色素合成相關(guān)基因在F.perrara定植工蜂腸道內(nèi)顯著上調(diào)，證實(shí)了工蜂幽門部位的類結(jié)痂結(jié)構(gòu)是由于F.perrara引發(fā)的宿主黑化免疫，同時(shí)這表明包括F.perrara在內(nèi)的蜜蜂腸道細(xì)菌在蜜蜂腸道中的存在會(huì)引發(fā)宿主的免疫反應(yīng)(Emeryetal.,2017)。Kwong等(2017a)則報(bào)道了蜜蜂腸道菌群對(duì)其宿主抗菌肽表達(dá)的影響，發(fā)現(xiàn)蜜蜂腸道菌群能顯著提高apidaecin和hymenoptaecin的表達(dá)，而在人為向腹部注射大腸桿菌菌液后，S.alvi或Gilliamellaapicola定植的工蜂表現(xiàn)出了優(yōu)于無菌工蜂的存活率。

除了直接調(diào)控宿主免疫反應(yīng)，蜜蜂的腸道菌群還參與宿主對(duì)多種致病菌的抵御。Paenibacilluslarvae和Melissococcusplutonius分別是美洲腐幼病和歐洲腐幼病的主要病原體，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，將蜜蜂的乳酸菌(Lactobacillus和Bifidobacterium)摻入蜜蜂幼蟲的食物，能有效降低美洲腐幼病和歐洲腐幼病對(duì)蜜蜂幼蟲的侵害(Forsgrenetal.,2010;Vásquezetal.,2012)。而采用腸道菌群紊亂的西方蜜蜂實(shí)驗(yàn)也顯示，蜜蜂腸道菌群的穩(wěn)態(tài)也與蜜蜂抵御條件致病菌Serratiamarcescens的侵害有著密切的關(guān)系(Raymannetal.,2017;Mottaetal.,2018)。

東方蜜蜂微孢子蟲Nosemacerana是蜜蜂的一種腸道寄生蟲，主要在蜜蜂中腸上皮細(xì)胞寄生增殖，能破壞蜜蜂腸道組織完整性，抑制蜜蜂的免疫反應(yīng)，最終導(dǎo)致蜜蜂個(gè)體壽命縮短，甚至微孢子蟲還會(huì)降低蜂王的生殖能力，進(jìn)而影響蜂群群勢(shì)以及生產(chǎn)性能，是當(dāng)下造成西方蜜蜂蜂群損失和制約全球養(yǎng)蜂業(yè)發(fā)展的重要因素之一(許瑛瑛等，2018)。而昆蟲腸道菌群的研究顯示，昆蟲中存在著腸道微生物與寄生蟲之間的相互對(duì)抗作用(Cariveauetal.,2014)，因此，N.cerana與蜜蜂腸道菌群的相互作用也受到了研究者的關(guān)注。Li等(2017)報(bào)道了西方蜜蜂腸道菌群會(huì)影響宿主對(duì)N.cerana的抵抗，他們使用抗生素破壞了工蜂的腸道菌群，然后使用東方蜜蜂孢子蟲侵染工蜂。研究結(jié)果顯示，抗生素處理的工蜂在接種微孢子蟲后的死亡率要顯著的高于接種了微孢子蟲的正常工蜂，抗生素處理組工蜂腸道中的微孢子蟲數(shù)量也要遠(yuǎn)高于正常工蜂；他們還發(fā)現(xiàn)，微孢子蟲與抗生素的共同作用會(huì)顯著降低蜜蜂抗菌肽defensin和hymenoptaecin的表達(dá)；同時(shí)還證明，與蜜蜂微孢子蟲Nosemaapis不同(Diazetal.,2018)，N.cerana不會(huì)影響西方蜜蜂的腸道菌群組成。而Maes等(2016)的研究同樣證明了西方蜜蜂腸道菌群的紊亂，有利于微孢子蟲(Nosemaspp.)在蜜蜂腸道中的生長。

2.4 失調(diào)對(duì)蜜蜂的危害

腸道菌群失調(diào)指的是在飲食、藥物或病菌等因素的作用下，生物體正常的腸道菌群的生態(tài)平衡受到破壞，進(jìn)而影響宿主的生理健康的現(xiàn)象。例如Schwarz等(2016)的研究就顯示，在蜜蜂腸道菌群成型前，人為定植Lotmariapassim會(huì)顯著改變蜜蜂腸道菌群的組成，進(jìn)而影響蜜蜂卵黃原蛋白Vg和多個(gè)P450基因的表達(dá)，影響宿主的解毒代謝和激素合成。而在養(yǎng)蜂生產(chǎn)中，為了防治蜜蜂的寄生蟲或病菌，大量的殺菌劑被應(yīng)用到了蜂群中；此外在農(nóng)業(yè)上大量使用的除草劑、殺蟲劑等化學(xué)試劑，也會(huì)隨蜜蜂的采集行為進(jìn)入到蜂群之中(Johnsonetal.,2010)。這些化合物很有可能會(huì)對(duì)蜜蜂的腸道菌群組成產(chǎn)生影響，從而影響到蜜蜂的健康。

百菌清是一種常用的殺菌劑，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，對(duì)蜂群施用10 μg/L的百菌清，會(huì)對(duì)蜜蜂腸道中菌群和真菌的組成造成明顯的影響；同時(shí)百菌清還顯著地影響了蜜蜂腸道菌群的基因表達(dá)(Kakumanuetal.,2016)。四環(huán)素是一種常被用于治療蜜蜂細(xì)菌病的抗生素，Raymann等(2017)發(fā)現(xiàn)，使用四環(huán)素處理蜜蜂工蜂，會(huì)顯著的擾亂蜜蜂腸道菌群的組成，包括蜜蜂腸道細(xì)菌的數(shù)量和菌株多樣性；進(jìn)而導(dǎo)致蜜蜂死亡率上升，并且顯著增加蜜蜂病原菌對(duì)蜜蜂的危害；此外研究還顯示，在停止抗生素處理后，已經(jīng)失調(diào)的腸道菌群并不會(huì)恢復(fù)。草甘膦是一種被廣泛使用的除草劑，Dai等(2018)發(fā)現(xiàn)，草甘膦會(huì)顯著的影響西方蜜蜂幼蟲的腸道菌群組成，導(dǎo)致工蜂幼蟲死亡。Motta等(2018)則證明草甘膦會(huì)通過作用于蜜蜂腸道細(xì)菌S.alvi的5-烯醇式丙酮酰莽草酸-3-磷酸合成酶(EPSPS)，顯著影響工蜂腸道中S.alvi的生長，最終導(dǎo)致工蜂腸道菌群的紊亂并使蜜蜂更易受到致病菌的侵害。

3 總結(jié)與展望

雖然蜜蜂腸道菌群功能的研究歷史并不長，目前已經(jīng)取得了大量的成果，對(duì)于蜜蜂腸道菌群與其宿主的相互作用，也已經(jīng)有了初步的了解，但是當(dāng)下的研究主要集中在與宿主免疫、抵抗病原等與健康相關(guān)的領(lǐng)域，對(duì)于腸道菌群在消化代謝和對(duì)宿主生理調(diào)節(jié)等方面的研究仍有很多空白，深入探索腸道菌群與蜜蜂基本生理活動(dòng)的關(guān)聯(lián)，有助于讓我們進(jìn)一步了解蜜蜂的基本生理活動(dòng)的調(diào)控。

蜜蜂的腸道菌群對(duì)蜜蜂的健康有著極大的影響，但是目前在養(yǎng)蜂生產(chǎn)上，蜜蜂腸道菌群的健康是一個(gè)長期被忽視的健康指標(biāo)。通過對(duì)蜜蜂腸道菌群功能的研究，能讓我們更好的了解腸道菌群與蜜蜂健康的關(guān)系，也為科學(xué)養(yǎng)蜂提供參考。

此外，目前關(guān)于蜜蜂腸道菌群功能的研究主要集中于西方蜜蜂，對(duì)于東方蜜蜂腸道菌群的功能尚沒有深入的探索。東方蜜蜂的腸道菌群雖然在組成上和西方蜜蜂相近，但是在菌種水平上仍然有著明顯的差異，這顯示其功能與西方蜜蜂可能并不完全相似。同時(shí)東方蜜蜂作為中國的本土蜂種，在長期進(jìn)化過程中對(duì)生存環(huán)境必然有著一定的適應(yīng)，這很可能也會(huì)影響到其腸道菌群的功能。另外在東方蜜蜂腸道菌群中存在著獨(dú)特的菌種，其功能尚不明了，也值得進(jìn)一步深入的探索與研究。