李 莉 馬光皇 劉語涵 肖海兵 陳家力 朱天生 楊明祿

（1.塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院 新疆阿拉爾 843300； 2.南疆農(nóng)業(yè)有害生物綜合治理兵團(tuán)重點實驗室 新疆阿拉爾 843300）

家蠶（Bombyx moriL.）屬于鱗翅目（Lepidoptera）蠶蛾科（Bombycidae），起源于中國北方的野桑蠶（Bombyx mandarinaL.），幼蟲均以桑葉為食，經(jīng)過幾千年的馴化與選育，已有3 000 多個品種[1]。家蠶是唯一被人類馴化形成的新物種，作為特種經(jīng)濟(jì)動物在紡織、軍工等方面發(fā)揮了重要作用。同時，家蠶也是鱗翅目代表性模式昆蟲之一，是生命科學(xué)典型的生物學(xué)模型，因個體較大、容易飼養(yǎng)、化性豐富和遺傳背景清楚等自然優(yōu)勢，在生物學(xué)、遺傳學(xué)和昆蟲免疫學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用[2]。雖然家蠶食性較為單一，但其腸道微生物和其他昆蟲一樣比較豐富，一般認(rèn)為昆蟲腸道微生物群落結(jié)構(gòu)與食物種類和消化道理化環(huán)境密切相關(guān)[3]。隨著對昆蟲腸道微生物種類與功能的深入研究，可確認(rèn)腸道微生物在昆蟲抵御病原菌、營養(yǎng)吸收和免疫等方面具有重要作用。本文通過分析國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，闡述家蠶腸道微生物種類組成、生物學(xué)功能及其影響因素等，以期為后續(xù)研究提供參考。

1 家蠶腸道微生物種類組成

早期研究主要針對家蠶致病微生物，如白僵菌、綠僵菌、微孢子蟲、病原細(xì)菌及病毒等，以及病原菌經(jīng)消化道的侵染過程。隨著對家蠶消化及微生物分離鑒定的深入研究，越來越多專家學(xué)者注意到腸道微生物的潛在功能與價值[3-6]。家蠶腸道微生物以細(xì)菌為主，較為常見的有厚壁菌門（Phylum Firmicutes）和變形桿菌門（Proteobacteria），其次有硝化螺旋菌門（Nitrospirae）、藍(lán)細(xì)菌門（Cyanobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、梭桿菌門（Fusobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi）和廣古菌門（Euryarchaeota），也能檢測到奇古菌門 （Thaumarchaeota）、異常球菌屬-棲熱菌門（Deinococcus-Thermus）、細(xì)菌超門（Patescibacteria）、軟壁菌門（Tenericutes）、脫鐵桿菌門（Deferribacteres）、疣微桿菌門（Verrucomicrobia）、浮霉菌門（Planctomycetes）等細(xì)菌種類[3,7-9]，在屬和種水平上不同處理及品種之間存在明顯的差異。由于高通量測序16 S基因區(qū)間選擇限制，在物種水平的可信度上存在一定差異，因此，可將屬級水平作為微生物多樣性的重要指標(biāo)。

家蠶腸道微生物因性別、蟲齡、蟲態(tài)或生存環(huán)境差異呈現(xiàn)不同（見表1），一般優(yōu)勢屬為鏈球菌屬（Streptococcus）、腸球菌屬（Enterococcus）和假單胞菌屬（Pseudomonas）等，但不同處理差異較大[10]，而在人工飼料、非寄主植物飼育或殺蟲劑干擾下，葡萄球菌屬（Staphylococcus）會變?yōu)閮?yōu)勢屬之一[9,11-12]。孫雪奇等[6]從家蠶腸道中分離出16個屬253 種細(xì)菌，利用其中部分細(xì)菌研制微生態(tài)制劑添食后，家蠶發(fā)病率降低。以大造品種為例，幼蟲取食桑葉的5齡第3天解剖取中腸，發(fā)現(xiàn)代爾夫特菌屬（Delftia）和橙單胞菌屬（Aurantimonas）都是雌雄家蠶排在第一、第二位的優(yōu)勢菌群，而腸球菌屬（Enterococcus）、臺灣溫單胞菌屬（Tepidimonas）、嗜糖假單胞菌屬（Pelomonas）、阿斯普羅單胞菌屬（Aspromonas）和假單胞菌屬（Pseudomonas）雖為優(yōu)勢菌群，但排序上存在差異。另外，甲基桿菌屬（Methylobacterium）、葡萄球菌屬（Staphylococcus）和青枯菌屬（Ralstonia）在雄蠶中為優(yōu)勢屬，雌蠶中則為佩特羅菌屬（Petrobacter）和狹義梭菌屬（Clostridium sensu stricto），并且優(yōu)勢屬豐度比率也存在差異[10]。家蠶腸道微生物的多樣性保障了菌群的穩(wěn)定性，有利于家蠶幼蟲的生長發(fā)育。

表1 家蠶腸道細(xì)菌屬水平的多樣性

2 家蠶腸道微生物的影響

家蠶生長發(fā)育所需的營養(yǎng)物質(zhì)來源于腸道對食物的消化與吸收，同時腸壁及其圍食膜也是抵御有毒物質(zhì)及病原菌入侵的天然屏障。昆蟲受到外界或自身不良因素影響時，腸道微生物群落有一定的響應(yīng)能力，能消除部分不良影響。當(dāng)給家蠶喂食綠膿桿菌（P.aeruginosa）或金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）會引起中腸中抗菌肽Gloverin2、Lebcion和CecropinB6等相關(guān)基因的表達(dá)量顯著上調(diào)[18]，影響消化道不同微生物菌群豐度，進(jìn)而對中腸食物消化產(chǎn)生影響。

2.1 輔助消化

家蠶是以桑葉為食的昆蟲，桑葉由果膠、木聚糖、纖維素和淀粉等物質(zhì)組成，昆蟲自身消化酶很難有效降解果膠、纖維素等物質(zhì)，而其腸道內(nèi)某些細(xì)菌分泌的消化酶能夠分解它們，可提高家蠶對桑葉的利用率。目前已經(jīng)分離到能夠降解纖維素的菌株有普通肺炎桿菌（Proteus vulgaris）、弗氏檸檬酸桿菌（Citrobacter freundii）和肺炎克桿菌（Klebsiella pneumoniae）等木聚糖降解菌，其分泌的木聚糖酶可以降解桑葉中的纖維素，生成葡萄糖或纖維二糖；而熒光假單胞菌（Pseudomonas fluorescens）和歐文氏菌（Erwiniaspp.）能夠產(chǎn)生果膠分解酶，切割果膠的糖苷鍵產(chǎn)生半乳糖醛酸；肺炎克桿菌（K. pneumoniae）可將淀粉顆粒水解成葡萄糖，更有利于家蠶消化吸收[19]。體外培養(yǎng)證實，家蠶中腸中含有可分泌蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和纖維素酶的菌株[20-22]，腸道微生物通過分泌消化酶，促進(jìn)桑葉中蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉和纖維素的分解，為家蠶提供生長發(fā)育必需的營養(yǎng)物質(zhì)。除此之外，腸道微生物還在抑制病原菌中發(fā)揮重要作用。

2.2 抵抗病原物，維持菌群穩(wěn)定

家蠶腸道組織、微生物或分泌物也可抵御病原菌入侵，如中腸組織分泌的家蠶脂肪酶1（Bmlipase-1）明顯抗家蠶核型多角體病毒（BmNPV）[23]，腸球菌（Enterococcusspp.）對家蠶微孢子蟲孢子萌發(fā)有較強(qiáng)抑制作用，影響微孢子蟲侵染[24]。當(dāng)家蠶食有微孢子蟲飼料后腸球菌會增加，相應(yīng)的細(xì)菌物種豐富度下降[25]，感染BmCPV也出現(xiàn)類似現(xiàn)象。家蠶感染BmBDV后變形菌門（Proteobacteria）和厚壁菌門（Phylum Firmicutes）菌群比例高于正常家蠶，腸球菌屬（Enterococcus）逐漸增加，而乳球菌屬（Lactococcus）明顯減少[26]，這些變化對腸道菌群穩(wěn)定很重要。家蠶腸道產(chǎn)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]。通過改變家蠶腸道微環(huán)境或補(bǔ)充有益微生物，可提升家蠶生產(chǎn)性能和蠶絲品質(zhì)[6]，而家蠶腸道微生物種類及豐度又受到諸多因素影響。

3 影響家蠶腸道微生物的因素

3.1 溫度變化

溫度在一定范圍內(nèi)的晝夜變化對家蠶的生長發(fā)育有利，超出范圍的極端低溫或高溫則負(fù)面影響較大。家蠶經(jīng)高溫處理后雌蠶腸道微生物豐度顯著降低，包括參與碳水化合物代謝的乳球菌屬（Lactococcus）、梭桿菌屬（Fusobacterium）等6屬、參與脂質(zhì)代謝的梭菌屬（Clostridium Prazmowski）、擬桿菌屬（Bacteroides）、地芽孢桿菌屬（Geobacillussp.）和參與蛋白質(zhì)及氨基酸代謝的芽孢桿菌屬（Bacillus）、短芽孢桿菌屬（Brevibacillus）；而雄蠶僅乳球菌屬（Lactococcus）、梭桿菌屬（Fusobacterium）和短芽孢桿菌屬（Brevibacillus）豐度顯著降低。家蠶通過調(diào)節(jié)腸道蔗糖酶、海藻糖酶及脂肪酶活性以適應(yīng)外界變化[28]。參與免疫的腸球菌屬（Enterococcus）和葡萄球菌屬（Staphylococcus）豐度與其他優(yōu)勢屬豐度呈負(fù)相關(guān)，此外泛菌屬、Incertae_Sedis、埃希氏菌-志賀氏菌屬（Escherichia-Shigella、Anderseniella）和不動桿菌屬（Acinetobacter）等對高溫處理較敏感[29]。

3.2 寄主及人工飼料

以不同寄主或人工飼料喂食家蠶，會導(dǎo)致家蠶腸道微生物種類及豐度差異。家蠶取食桑葉與人工飼料相比，腸道微生物對宿主排泄、異生素生物降解及營養(yǎng)代謝影響明顯，而取食人工飼料的參與宿主適應(yīng)性的微生物顯著增多[13]。在桑葉處理組中發(fā)現(xiàn)甲基桿菌屬（Methylobacterium）、布赫納氏菌屬（Buchnera）等菌屬，而人工飼料組中沒有發(fā)現(xiàn)；魏斯氏菌屬（Weissella）、短芽孢桿菌屬（Brevibacillus）等只出現(xiàn)在人工飼料處理組[8]，而在其他不同處理中差異明顯；?？浦参镨先~與桑葉之間也存在較大差異（見表1），拓葉飼喂的家蠶腸道中脂肪酶菌豐富度要差些[21]。

3.3 農(nóng)藥殘留及氟化物

農(nóng)藥殘留、工業(yè)氟污染、重金屬富集等會導(dǎo)致桑葉質(zhì)量下降，影響家蠶腸道微生物種類及豐度，造成腸道微環(huán)境變化，不利于對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收與利用，也降低了抵御有害物質(zhì)入侵的能力。家蠶對大多數(shù)農(nóng)藥是敏感的，一定劑量農(nóng)藥會引起家蠶中毒、死亡，而低劑量農(nóng)藥暴露會導(dǎo)致腸道微生物群落變化。微量辛硫磷可提高家蠶幼蟲的腸道細(xì)菌群落均勻度，并改變腸道菌群的結(jié)構(gòu)，甲基桿菌（Methylobacte-rium）和金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）等優(yōu)勢菌的豐度顯著降低，而葡萄球菌（Staphylococcus）等非優(yōu)勢細(xì)菌豐度顯著增加，導(dǎo)致家蠶體內(nèi)脂肪酶活性上升，α-淀粉酶活性呈下降趨勢[11]。喂食Cry1Ab的家蠶幼蟲后腸中酚氧化酶誘導(dǎo)的黑色素會抑制內(nèi)部細(xì)菌的生長[30]。當(dāng)家蠶食下受氟化物污染的桑葉會有中毒癥狀，引起腸球菌屬（Enterococcus）和芽孢桿菌屬（Bacillus）豐度降低，而產(chǎn)脂肪酶的葡萄球菌屬豐度增加，腸道微生物菌群平衡，降低家蠶對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收效率[31]。低劑量的納米材料TiO2NPs不會顯著改變腸道菌群的優(yōu)勢種，但會改變單個腸道菌種的豐度，增加參與營養(yǎng)代謝、排毒和抗病性相關(guān)菌群的豐度，降低條件致病菌沙雷氏菌（Serratia）的豐度，從而促進(jìn)家蠶生長發(fā)育和調(diào)節(jié)免疫功能，還能增強(qiáng)家蠶對殺蟲劑的抵抗力[32]。

4 展望

家蠶曾在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中扮演重要角色，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和人工成本上升，傳統(tǒng)家蠶飼養(yǎng)模式受到挑戰(zhàn)，規(guī)?；⑤p簡化及人工飼料應(yīng)用成為必然的發(fā)展趨勢。家蠶腸道微生物與飼料利用率、病原菌抵抗力和蠶絲品質(zhì)關(guān)系密切，這也推動家蠶腸道微生物研究日趨多元化，包括不同飼養(yǎng)模式下腸道微生物組成及多樣性、功能及其影響因素等方面。雖然關(guān)于家蠶腸道微生物已有大量的研究報道，但由于昆蟲與腸道微生物涉及宿主諸多方面，包括營養(yǎng)、繁殖、防御和物種形成[3]，需從家蠶腸道微生物多樣性與功能的相關(guān)性，微生物在人工飼料的改進(jìn)應(yīng)用，以及調(diào)控腸道微生物提高桑蠶生產(chǎn)效率、提升蠶絲質(zhì)量及提高繭層率等方面，利用多組學(xué)及比較生物學(xué)開展深入研究，對家蠶抗病及飼料選擇方面有重要意義。