《Environmental Microbiology Reports》：Dietary Specialisation Shapes Gut Bacterial Diversity in Dung Beetles: Insights From Coprophagy to Millipede Carnivory
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本文以蜣螂为模型，深入探究了五种食性（食粪、食腐、食碎屑、食菌、肉食）如何主导性地塑造其肠道细菌群落的结构与多样性。研究发现，宿主系统发育与食性共同驱动肠道菌群组成，其中食性是更强的主导因素，可超越系统发育限制，促使拥有相似食性的不同昆虫类群在菌群上趋同。尤其首次揭示了专性捕食马陆的蜣螂拥有最独特、多样性最低的菌群，凸显了极端食性对微生物群落强大的选择压力。文章强调了饮食作为关键生态过滤器在宿主-微生物互作中的核心作用，为理解昆虫通过肠道微生物适应特化食性及生态位分化提供了重要见解。
引言
昆虫的胃肠道中寄居着复杂的微生物集合，即肠道微生物组。这些微生物在昆虫适应特定饮食生态位中起着关键作用，参与多种代谢和生化过程，例如解毒植物次生化合物、帮助碳水化合物消化等。宿主系统发育和饮食常被认为是影响昆虫肠道微生物组多样性和结构的两个主要因素。然而，以往的大规模研究通常在不同昆虫目、科或具有不同摄食策略的类群间进行比较，难以在限制系统发育差异的情况下探究多种食性的影响。蜣螂（金龟子亚科）为此提供了理想模型，因为它们亲缘关系较近，生理结构相似，但食性范围极广，涵盖了食粪、食腐、食碎屑、食菌和肉食等多种特化类型。本研究旨在表征七种具有五种不同食性特化的南非蜣螂物种的肠道细菌群落，以阐明在亲缘关系相近的个体中，饮食差异对肠道细菌群落的巨大影响。
研究方法
研究共采集了6个属、7个物种的23只成年蜣螂，食性包括捕食马陆、食用干粪/碎屑、食用蘑菇、食用腐肉/干粪以及食粪。样本通过诱捕法收集，并进行表面灭菌和肠道解剖。使用特异性引物扩增细菌16S rRNA基因的V4-V5高变区，并通过Illumina NovaSeq平台进行高通量测序。测序数据在QIIME 2中处理，使用DADA2算法进行去噪和生成扩增子序列变体，并对照Greengenes 2.0数据库进行分类。通过计算观察到的ASVs、香农指数和辛普森指数评估α多样性，使用基于Whittaker指数的非度量多维尺度分析评估β多样性，并利用LEfSe分析确定不同食性对应的标志性细菌类群。
结果
肠道细菌结构与多样性
肠道细菌多样性在不同食性组间差异显著。专性捕食马陆的物种Sceliages brittoni和S. hippias拥有最独特且多样性最低的肠道菌群。其观察到的ASVs数量显著低于食碎屑/干粪、食粪和食腐肉的组。β多样性分析显示，大多数主要食性特化组彼此分开聚集，但食菌者的菌群与食腐肉和马陆捕食者的集群有重叠。韦恩图分析表明，食菌蜣螂与食碎屑、腐肉和粪便饲喂的蜣螂共享最大比例（66.67%）的肠道微生物组，而食粪蜣螂与其他食性共享的序列比例最低。
细菌组成与标志性类群
蜣螂肠道中最常见的细菌门是厚壁菌门、变形菌门和拟杆菌门。在科水平上，肠道菌群变异很大，某些细菌科在特定类群或食性中占主导地位。LEfSe分析揭示了不同食性特化的标志性细菌类群。例如，食腐肉组的标志菌包括Ignatzschineria indica，这种菌已在多种食肉昆虫类群中被发现。食碎屑组的标志菌包括Miniphocaeibacter massiliensis。食粪组仅由两个标志类群表征，包括Anaerosphaera aminiphila。捕食马陆的组拥有分类最明确的标志菌集合，包括Spiroplasma ixodetis和Wohlfahrtiimonas chitiniclastica等。食菌组则主要含有大量未分类的标志类群。
讨论
饮食的主导作用
本研究结果表明，饮食是蜣螂肠道细菌群落组成的重要预测因子。尽管系统发育和地理位置等因素也有影响，但饮食的作用似乎更强。这种特异性可能源于饮食作为一种强大的生态过滤器，筛选出能够耐受或利用特定食物基质生化环境的微生物。拥有相似食性的不同昆虫类群（如食肉昆虫）共享类似的细菌群落，这表明饮食可以超越宿主系统发育，驱动微生物群落的趋同。
特化与泛化取食者的菌群策略
研究支持了“特化取食者容纳特化的核心肠道菌群，而泛化取食者拥有多样化的肠道微生物”的假说。专性捕食马陆的Sceliages属蜣螂拥有最特异、多样性最低的菌群。这可能是由于其猎物马陆释放的防御性分泌物（如生物碱、醌类、氰化物）在肠道内创造了极端环境，只有少数具有抗性的细菌物种能够存活，或者这些分泌物直接抑制了细菌的定植。这些特殊菌群可能协助宿主解毒。相反，以微生物丰富的粪便为食的专性食粪蜣螂，却拥有高度多样化的菌群，这可能源于其食物源中本身富含大量微生物。古老的专性食菌物种Coptorhina klugii具有高度可变的菌群，并与多种食性组重叠，这可能为其提供了广泛的代谢潜能，或许在蜣螂食性多样化历史上起到了关键作用。
标志性菌群的功能启示
在不同食性中发现的标志性细菌类群，许多也存在于以类似物质为食的其他昆虫或环境中。例如，食腐肉组的I. indica也常见于食肉蝇类；食粪组的A. aminiphila常见于哺乳动物粪便。这表明这些细菌可能来源于食物本身，或是能适应特定食物化学环境的“环境专家”。其中一些细菌，如食肉组相关的I. indica和W. chitiniclastica，被认为是新兴的人类病原体，它们在昆虫中的共生功能尚不明确，但W. chitiniclastica已知具有几丁质酶活性，可能有助于捕食马陆的蜣螂消化富含几丁质的猎物。捕食马陆组中的S. ixodetis是一种可在节肢动物中经母系遗传的细菌，有时能导致雄性死亡，其在该蜣螂中的功能角色值得进一步探究。
结论
本研究通过对七种具有五种不同食性特化的蜣螂进行分析，证实了饮食是塑造其肠道微生物组的关键因素。研究发现，食性在很大程度上决定了肠道细菌群落的结构和多样性，其影响可能超过宿主系统发育。专性捕食马陆的蜣螂拥有最独特、多样性最低的菌群，这可能与其猎物的化学防御有关。研究还鉴定出了与每种食性相关的标志性细菌类群，这些类群在不同食性昆虫间的共享模式揭示了饮食作为强大生态过滤器的作用。这些发现强调了宿主-微生物互作在昆虫适应特化食性和开拓生态位中的重要性，为未来从功能层面深入探究这些互作的生态与进化意义奠定了基础。
