家蚕肠道微生物的研究进展

李 莉 马光皇 刘语涵 肖海兵 陈家力 朱天生 杨明禄

（1.塔里木大学植物科学学院 新疆阿拉尔 843300； 2.南疆农业有害生物综合治理兵团重点实验室 新疆阿拉尔 843300）

家蚕（Bombyx moriL.）属于鳞翅目（Lepidoptera）蚕蛾科（Bombycidae），起源于中国北方的野桑蚕（Bombyx mandarinaL.），幼虫均以桑叶为食，经过几千年的驯化与选育，已有3 000 多个品种[1]。家蚕是唯一被人类驯化形成的新物种，作为特种经济动物在纺织、军工等方面发挥了重要作用。同时，家蚕也是鳞翅目代表性模式昆虫之一，是生命科学典型的生物学模型，因个体较大、容易饲养、化性丰富和遗传背景清楚等自然优势，在生物学、遗传学和昆虫免疫学领域发挥着重要的作用[2]。虽然家蚕食性较为单一，但其肠道微生物和其他昆虫一样比较丰富，一般认为昆虫肠道微生物群落结构与食物种类和消化道理化环境密切相关[3]。随着对昆虫肠道微生物种类与功能的深入研究，可确认肠道微生物在昆虫抵御病原菌、营养吸收和免疫等方面具有重要作用。本文通过分析国内外相关文献，阐述家蚕肠道微生物种类组成、生物学功能及其影响因素等，以期为后续研究提供参考。

1 家蚕肠道微生物种类组成

早期研究主要针对家蚕致病微生物，如白僵菌、绿僵菌、微孢子虫、病原细菌及病毒等，以及病原菌经消化道的侵染过程。随着对家蚕消化及微生物分离鉴定的深入研究，越来越多专家学者注意到肠道微生物的潜在功能与价值[3-6]。家蚕肠道微生物以细菌为主，较为常见的有厚壁菌门（Phylum Firmicutes）和变形杆菌门（Proteobacteria），其次有硝化螺旋菌门（Nitrospirae）、蓝细菌门（Cyanobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、梭杆菌门（Fusobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）和广古菌门（Euryarchaeota），也能检测到奇古菌门 （Thaumarchaeota）、异常球菌属-栖热菌门（Deinococcus-Thermus）、细菌超门（Patescibacteria）、软壁菌门（Tenericutes）、脱铁杆菌门（Deferribacteres）、疣微杆菌门（Verrucomicrobia）、浮霉菌门（Planctomycetes）等细菌种类[3,7-9]，在属和种水平上不同处理及品种之间存在明显的差异。由于高通量测序16 S基因区间选择限制，在物种水平的可信度上存在一定差异，因此，可将属级水平作为微生物多样性的重要指标。

家蚕肠道微生物因性别、虫龄、虫态或生存环境差异呈现不同（见表1），一般优势属为链球菌属（Streptococcus）、肠球菌属（Enterococcus）和假单胞菌属（Pseudomonas）等，但不同处理差异较大[10]，而在人工饲料、非寄主植物饲育或杀虫剂干扰下，葡萄球菌属（Staphylococcus）会变为优势属之一[9,11-12]。孙雪奇等[6]从家蚕肠道中分离出16个属253 种细菌，利用其中部分细菌研制微生态制剂添食后，家蚕发病率降低。以大造品种为例，幼虫取食桑叶的5龄第3天解剖取中肠，发现代尔夫特菌属（Delftia）和橙单胞菌属（Aurantimonas）都是雌雄家蚕排在第一、第二位的优势菌群，而肠球菌属（Enterococcus）、台湾温单胞菌属（Tepidimonas）、嗜糖假单胞菌属（Pelomonas）、阿斯普罗单胞菌属（Aspromonas）和假单胞菌属（Pseudomonas）虽为优势菌群，但排序上存在差异。另外，甲基杆菌属（Methylobacterium）、葡萄球菌属（Staphylococcus）和青枯菌属（Ralstonia）在雄蚕中为优势属，雌蚕中则为佩特罗菌属（Petrobacter）和狭义梭菌属（Clostridium sensu stricto），并且优势属丰度比率也存在差异[10]。家蚕肠道微生物的多样性保障了菌群的稳定性，有利于家蚕幼虫的生长发育。

表1 家蚕肠道细菌属水平的多样性

2 家蚕肠道微生物的影响

家蚕生长发育所需的营养物质来源于肠道对食物的消化与吸收，同时肠壁及其围食膜也是抵御有毒物质及病原菌入侵的天然屏障。昆虫受到外界或自身不良因素影响时，肠道微生物群落有一定的响应能力，能消除部分不良影响。当给家蚕喂食绿脓杆菌（P.aeruginosa）或金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）会引起中肠中抗菌肽Gloverin2、Lebcion和CecropinB6等相关基因的表达量显著上调[18]，影响消化道不同微生物菌群丰度，进而对中肠食物消化产生影响。

2.1 辅助消化

家蚕是以桑叶为食的昆虫，桑叶由果胶、木聚糖、纤维素和淀粉等物质组成，昆虫自身消化酶很难有效降解果胶、纤维素等物质，而其肠道内某些细菌分泌的消化酶能够分解它们，可提高家蚕对桑叶的利用率。目前已经分离到能够降解纤维素的菌株有普通肺炎杆菌（Proteus vulgaris）、弗氏柠檬酸杆菌（Citrobacter freundii）和肺炎克杆菌（Klebsiella pneumoniae）等木聚糖降解菌，其分泌的木聚糖酶可以降解桑叶中的纤维素，生成葡萄糖或纤维二糖；而荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）和欧文氏菌（Erwiniaspp.）能够产生果胶分解酶，切割果胶的糖苷键产生半乳糖醛酸；肺炎克杆菌（K. pneumoniae）可将淀粉颗粒水解成葡萄糖，更有利于家蚕消化吸收[19]。体外培养证实，家蚕中肠中含有可分泌蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和纤维素酶的菌株[20-22]，肠道微生物通过分泌消化酶，促进桑叶中蛋白质、脂肪、淀粉和纤维素的分解，为家蚕提供生长发育必需的营养物质。除此之外，肠道微生物还在抑制病原菌中发挥重要作用。

2.2 抵抗病原物，维持菌群稳定

家蚕肠道组织、微生物或分泌物也可抵御病原菌入侵，如中肠组织分泌的家蚕脂肪酶1（Bmlipase-1）明显抗家蚕核型多角体病毒（BmNPV）[23]，肠球菌（Enterococcusspp.）对家蚕微孢子虫孢子萌发有较强抑制作用，影响微孢子虫侵染[24]。当家蚕食有微孢子虫饲料后肠球菌会增加，相应的细菌物种丰富度下降[25]，感染BmCPV也出现类似现象。家蚕感染BmBDV后变形菌门（Proteobacteria）和厚壁菌门（Phylum Firmicutes）菌群比例高于正常家蚕，肠球菌属（Enterococcus）逐渐增加，而乳球菌属（Lactococcus）明显减少[26]，这些变化对肠道菌群稳定很重要。家蚕肠道产生的活性氧（ROS）、一氧化氮（NO）及抗菌肽（Antimicrobial peptides，AMPs）在免疫防御中有重要作用[27]。通过改变家蚕肠道微环境或补充有益微生物，可提升家蚕生产性能和蚕丝品质[6]，而家蚕肠道微生物种类及丰度又受到诸多因素影响。

3 影响家蚕肠道微生物的因素

3.1 温度变化

温度在一定范围内的昼夜变化对家蚕的生长发育有利，超出范围的极端低温或高温则负面影响较大。家蚕经高温处理后雌蚕肠道微生物丰度显著降低，包括参与碳水化合物代谢的乳球菌属（Lactococcus）、梭杆菌属（Fusobacterium）等6属、参与脂质代谢的梭菌属（Clostridium Prazmowski）、拟杆菌属（Bacteroides）、地芽孢杆菌属（Geobacillussp.）和参与蛋白质及氨基酸代谢的芽孢杆菌属（Bacillus）、短芽孢杆菌属（Brevibacillus）；而雄蚕仅乳球菌属（Lactococcus）、梭杆菌属（Fusobacterium）和短芽孢杆菌属（Brevibacillus）丰度显著降低。家蚕通过调节肠道蔗糖酶、海藻糖酶及脂肪酶活性以适应外界变化[28]。参与免疫的肠球菌属（Enterococcus）和葡萄球菌属（Staphylococcus）丰度与其他优势属丰度呈负相关，此外泛菌属、Incertae_Sedis、埃希氏菌-志贺氏菌属（Escherichia-Shigella、Anderseniella）和不动杆菌属（Acinetobacter）等对高温处理较敏感[29]。

3.2 寄主及人工饲料

以不同寄主或人工饲料喂食家蚕，会导致家蚕肠道微生物种类及丰度差异。家蚕取食桑叶与人工饲料相比，肠道微生物对宿主排泄、异生素生物降解及营养代谢影响明显，而取食人工饲料的参与宿主适应性的微生物显著增多[13]。在桑叶处理组中发现甲基杆菌属（Methylobacterium）、布赫纳氏菌属（Buchnera）等菌属，而人工饲料组中没有发现；魏斯氏菌属（Weissella）、短芽孢杆菌属（Brevibacillus）等只出现在人工饲料处理组[8]，而在其他不同处理中差异明显；桑科植物柘叶与桑叶之间也存在较大差异（见表1），拓叶饲喂的家蚕肠道中脂肪酶菌丰富度要差些[21]。

3.3 农药残留及氟化物

农药残留、工业氟污染、重金属富集等会导致桑叶质量下降，影响家蚕肠道微生物种类及丰度，造成肠道微环境变化，不利于对营养物质的吸收与利用，也降低了抵御有害物质入侵的能力。家蚕对大多数农药是敏感的，一定剂量农药会引起家蚕中毒、死亡，而低剂量农药暴露会导致肠道微生物群落变化。微量辛硫磷可提高家蚕幼虫的肠道细菌群落均匀度，并改变肠道菌群的结构，甲基杆菌（Methylobacte-rium）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）等优势菌的丰度显著降低，而葡萄球菌（Staphylococcus）等非优势细菌丰度显著增加，导致家蚕体内脂肪酶活性上升，α-淀粉酶活性呈下降趋势[11]。喂食Cry1Ab的家蚕幼虫后肠中酚氧化酶诱导的黑色素会抑制内部细菌的生长[30]。当家蚕食下受氟化物污染的桑叶会有中毒症状，引起肠球菌属（Enterococcus）和芽孢杆菌属（Bacillus）丰度降低，而产脂肪酶的葡萄球菌属丰度增加，肠道微生物菌群平衡，降低家蚕对营养物质的吸收效率[31]。低剂量的纳米材料TiO2NPs不会显著改变肠道菌群的优势种，但会改变单个肠道菌种的丰度，增加参与营养代谢、排毒和抗病性相关菌群的丰度，降低条件致病菌沙雷氏菌（Serratia）的丰度，从而促进家蚕生长发育和调节免疫功能，还能增强家蚕对杀虫剂的抵抗力[32]。

4 展望

家蚕曾在经济发展中扮演重要角色，随着农业产业结构调整和人工成本上升，传统家蚕饲养模式受到挑战，规模化、轻简化及人工饲料应用成为必然的发展趋势。家蚕肠道微生物与饲料利用率、病原菌抵抗力和蚕丝品质关系密切，这也推动家蚕肠道微生物研究日趋多元化，包括不同饲养模式下肠道微生物组成及多样性、功能及其影响因素等方面。虽然关于家蚕肠道微生物已有大量的研究报道，但由于昆虫与肠道微生物涉及宿主诸多方面，包括营养、繁殖、防御和物种形成[3]，需从家蚕肠道微生物多样性与功能的相关性，微生物在人工饲料的改进应用，以及调控肠道微生物提高桑蚕生产效率、提升蚕丝质量及提高茧层率等方面，利用多组学及比较生物学开展深入研究，对家蚕抗病及饲料选择方面有重要意义。