Effects of simulated gut pH environment on bacterial composition and pheromone production of Dendroctonus valens

模擬腸道pH環境對瓦倫石斛細菌組成和信息素產生的影響

來源：Insect Science (2024) 31, 225–235

 

1. 摘要核心內容

 

本研究通過人工飼料調控紅脂大小蠹腸道pH環境，探究其對腸道微生物群落及聚集信息素馬鞭草酮（verbenone）生產的影響。核心發現包括：

 

腸道pH調控：飼喂pH 6飼料使腸道pH升高（弱酸性→近中性），pH 4飼料則強化酸性環境（圖1）。

 

微生物群落變化：pH偏離自然狀態（pH 4.7）導致變形菌門（Proteobacteria）豐度顯著降低（pH 4組↓37%，pH 6組↓24%），關鍵菌屬Enterobacter（馬鞭草酮主要生產者）豐度下降（表2, 表3, 圖4-5）。

 

 

 

 

信息素產量下降：pH 4和pH 6組馬鞭草酮產量分別降低68%和42%（圖6）。

 

體外驗證：腸道細菌分離株（Enterobacter xiangfangensis和Serratia liquefaciens）在pH 6（模擬自然腸道環境）下馬鞭草酮轉化率最高，pH 4環境下下降50%以上（圖7）。

 

生態意義：寄主樹木樹皮pH可能通過調控昆蟲腸道微環境，影響其聚集行為與入侵擴散能力。

 

2. 研究目的

 

闡明pH-微生物-信息素關系：驗證飲食pH如何通過改變腸道pH影響微生物群落結構及馬鞭草酮產量。

解析關鍵機制：確定特定細菌（如Enterobacter）在信息素轉化中的pH依賴性。

生態應用啟示：為解釋紅脂大小蠹在中國的入侵機制（如寄主適應性）提供新視角。

 

3. 研究思路

 

采用 “體內實驗→微生物組分析→體外驗證” 三步策略：

 

體內干預：

野外捕獲紅脂大小蠹成蟲，分為4組：

對照組（PC）：不處理（自然狀態）

天然寄主組（PT）：飼喂油松（Pinus tabuliformis）樹皮（pH 4.7）

酸性組（P4）：pH 4人工飼料

弱酸組（P6）：pH 6人工飼料

干預14天后解剖腸道（圖1, 方法部分）。

多維度檢測：

腸道pH：Unisense pH微電極原位測量（方法部分）。

微生物組成：16S rDNA測序分析α/β多樣性（圖2-5, 表1-3）。

 

 

 

信息素產量：GC-MS定量馬鞭草酮（圖6）。

體外驗證：

分離關鍵菌株（E. xiangfangensis和S. liquefaciens），在pH 4/pH 6培養基中添加前體cis-verbenol，檢測馬鞭草酮轉化率（圖7）。

 

4. 測量數據及研究意義

(1) 腸道pH值（圖1）

 

數據：

對照組（PC）和天然寄主組（PT）pH≈4.7，無差異。

P6組pH↑至5.8（P<0.05），P4組pH↓至4.2（P<0.05）。

意義：首次量化飲食pH對紅脂大小蠹腸道酸堿度的調控能力，為微生物群落變化提供環境背景。

 

(2) 微生物群落結構（圖2-5, 表1-3）

 

數據：

α多樣性：P4/P6組Shannon指數↑60%（表1），表明pH偏離增加群落復雜性。

β多樣性：PC與PT組相似，P4/P6組顯著分離（PCoA，R2=0.365, P=0.001）（圖3）。

關鍵菌屬：

Enterobacter（變形菌門）：P4組豐度↓55%（vs PC組）（表3, 圖5）。

Serratia（變形菌門）：P4組豐度↓81%（表3）。

意義：揭示pH通過抑制變形菌門（尤其產信息素菌屬）破壞微生物功能穩態。

 

(3) 馬鞭草酮產量（圖6-7）

 

數據：

體內：P4組信息素產量↓68%，P6組↓42%（vs PC組）（圖6）。

體外：E. xiangfangensis在pH 6下產量比pH 4高2.3倍（圖7）。

意義：直接證明pH通過調控微生物功能影響昆蟲化學通訊，為“飲食-微生物-行為”鏈提供實證。

 

5. 核心結論

 

腸道pH可塑性：飲食pH可雙向調控紅脂大小蠹腸道酸堿度（酸性強化或中和）。

微生物群落敏感響應：pH偏離自然狀態（4.7）顯著降低變形菌門豐度，尤其關鍵菌屬Enterobacter。

信息素生產受損：pH改變導致馬鞭草酮產量下降40-70%，Enterobacter的pH依賴性轉化是主因。

生態啟示：寄主樹木樹皮pH可能是影響紅脂大小蠹入侵力的隱性因子，人工調控pH或可成為防控新策略。

 

6. 丹麥Unisense電極的研究意義

(1) 技術原理

 

pH微電極（REF321）：

尖端直徑10 μm，可插入微小昆蟲腸道（方法部分）。

四標準液校準（pH 4.0/7.0/9.0/11.0），精度±0.1 pH單位。

原位測量法：腸道樣本固定于瓊脂層，電極微操縱定位（圖1未展示操作細節，見方法描述）。

 

(2) 關鍵發現

 

精準量化微環境：首次記錄紅脂大小蠹中腸pH≈4.7（弱酸性），打破“鞘翅目腸道均偏堿”的認知（對比文獻）。

揭示pH梯度：發現飲食可誘導pH變化（P4組↓0.5單位，P6組↑1.1單位），為微生物響應提供定量基礎。

 

(3) 研究價值

 

空間分辨率優勢：

微尺度定位：避免組織勻漿導致的區室化信息丟失。

動態監測潛力：支持活體實時pH追蹤（本研究未開展，但技術可行）。

機制關聯橋梁：將“飲食→腸道pH→微生物功能”鏈條實證化，推動昆蟲-微生物互作研究從關聯向因果突破。

 

圖表索引

 

圖1：不同飲食處理后腸道pH值

圖2：微生物OTU稀釋曲線（測序深度驗證）

圖3：PCoA分析（微生物群落β多樣性）

圖4：門水平微生物相對豐度

圖5：屬水平關鍵菌群豐度

圖6：腸道馬鞭草酮產量

圖7：細菌分離株體外信息素轉化能力

表1：α多樣性指數（Shannon/Simpson/Chao1等）

表2：門水平微生物相對豐度

表3：屬水平微生物相對豐度

 

局限與展望：未解析pH影響細菌代謝的分子機制；需結合轉錄組驗證pH對細菌基因表達的調控。