中国农业大学植保学院周欣、张雪课题组揭示蜜蜂肠道共生菌种共存的奥秘

菌种和菌株水平的多样性对维持肠道菌群的结构稳态和功能至关重要，菌群多样性的丧失影响与宿主的互作功能，与多种疾病的发生和发展相关。蜜蜂肠道菌群是一个由少数核心菌属构成的生态系统，在菌种和菌株层面同样展现出丰富的多样性，对蜜蜂的健康至关重要。然而，对于蜜蜂肠道内的这些近源菌种克服竞争，实现共存的机制尚不清楚。近日，中国农业大学的周欣、张雪研究团队近期在《国际微生物生态学杂志》（ The ISME Journal）发表了题为《Life history strategies complement niche partitioning to support the coexistence of closely related Gilliamella species ine the bee gut》的研究论文，深入探讨了五种 Gilliamella 菌适应蜜蜂肠道的分子机制，揭示了在多糖代谢能力上的分化，和对于公共单糖底物的生长速率和生长量策略的选择差异（ r / K 策略）对促进菌种适应不同的肠道环境动态，实现共存的关键作用。

近源菌种通常在资源利用上高度重叠，按传统生态学理论，它们难以长期共存。已有研究对于菌群内菌种共存机制的探讨强调了生态位分化对于促进菌种共存的作用，然而肠道环境是高度动态变化的。蜜蜂虽然食物组成简单，主要摄取花粉和花蜜饮食，但对于花粉和花蜜摄入的数量和比例会因蜜蜂年龄、行为分工（例如哺育蜂与采集蜂）以及季节的变化而不断变化。食物组成的变化直接影响肠道菌群中不同菌种之间互作关系，因此在真实肠道环境中，细菌如何适应这种不断变化的资源条件实现共存，对于理解肠道菌群多样性的维持机制至关重要。

本研究以东方蜜蜂核心菌属 Gilliamella 为研究对象，通过大范围的分菌和组学测序结果证明，东方蜜蜂特异的 Gilliamella 菌属主要分化为5个菌种，在不同地区蜜蜂个体内广泛共存并具有菌种组成多态性。 Gilliamella 是肠道内花粉多糖果胶的主要降解者，并能发酵代谢多种单糖。然而五种 Gilliamella 菌种在多糖代谢能力上存在显著分化，可划分为“多糖降解者”和“非多糖降解者”。多糖降解者能特异性的利用花粉中的多糖进行生长，在花粉饮食下获得竞争优势。然而，当在公共底物单糖环境中（花蜜饮食），多糖降解者的竞争力较弱，非多糖降解者在单糖环境中占据主导地位。

为探究多糖降解者在单糖饮食中的共存机制，对5个菌种代表菌株进行不同底物的培养组学测定，发现多糖降解者和非多糖降解者在生活史策略选择上存在差异，多糖降解者具有“高生长量-低速率”（ K 策略）生存策略，即在低糖环境下，它们能比竞争对手更高效地利用有限资源，并在饥饿条件下保持较高的生物量，从而实现生态位补偿。进一步的转录组分析显示，多糖降解者的鞭毛运动和趋化基因显著上调，表明它们可能通过提高移动能力和营养物质捕获效率来增强自身适应性。而非多糖降解者（高速率-低生长量， r 策略）则显著上调核糖体相关基因，以实现更快的生长速率。这一分化反映了典型的 r / K 选择理论在微生物共存中的作用，即快速增长的菌种占据富营养位点，而缓慢增长但资源利用率高的菌种则适应贫营养环境。

生态位分化和生活史策略差异对于肠道菌 Gilliamella 适应肠道环境动态，实现共存的生态学意义

为了验证这种生存策略分化对塑造菌群结构的生态学意义，选取青海地区夏季和冬季的蜜蜂个体进行肠道菌群中 Gilliamella 菌种组成的测定，发现在冬季饥饿期的自然蜜蜂肠道中， K 选择型菌种（多糖降解者）的相对丰度显著升高，验证了生活史策略分化对于肠道营养丰度动态的适应机制。

该研究揭示 Gilliamella 菌在蜜蜂肠道内的共存并非简单的资源竞争结果，而是由生态位动态变化和生存策略分化共同塑造的。该研究为理解肠道菌群多样性维持机制提供了新视角。这一发现不仅有助于理解肠道菌群的组装和维持机制，也为探索不同环境扰动（如抗生素使用、营养失衡）如何影响肠道菌群的稳定性，通过菌群策略优化蜂群健康管理、提升蜜蜂抗逆能力提供科学依据。

我校植物保护学院博士研究生杨成凤为论文第一作者，植物保护学院昆虫学系教授周欣与讲师张雪为论文共同通讯作者，该工作受到国家重点研发项目（2023YFD2201804）、国家自然科学基金面上项目（32370550）、中国博士后科学基金会（2023M733792）和中国农业大学2115人才培育计划的支持，德克萨斯大学奥斯汀分校的Jeffrey Barrick教授赠与肠道菌改造质粒。

论文链接：https://academic.oup.com/ismej/advance-article/doi/10.1093/ismejo/wraf016/7996450