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白蚁消化木材时发现新的肠道细菌

2019-09-20 27螺旋体肠道微生物

当白蚁咀嚼木头时,这些小碎片被运送到它们的肠道里,喂养一个独特的微生物群落。在一个涉及多个步骤的复杂过程中,这些微生物将这种坚硬的纤维状物质变成白蚁宿主的营养餐。其中一个关键步骤是利用氢将二氧化碳转化为有机碳——这一过程被称为乙酰生成——但我们对哪个肠道细菌在这一过程中扮演特定角色知之甚少。利用各种实验技术,加州理工学院(Caltech)的研究人员现在发现了一种以前未被识别的细菌——生活在白蚁肠道中一个较大微生物的表面——这种细菌可能是大多数肠道缩酸形成的原因。

“在白蚁的肠道里,有几百种不同的微生物,它们彼此之间的距离只有一毫米。我们知道这些特定的肠道微生物存在,我们知道微生物负责某些功能,但直到现在,我们没有一个好的办法知道做哪些微生物,“加州理工学院的环境微生物学教授Jared Leadbetter说。他还在9月16日出版的《美国国家科学院院刊》(PNAS)网络版上发表了一篇关于这项工作的论文。

白蚁消化木材时发现新的肠道细菌

研究背景

醋酸生成是由肠道原生动物分解腐烂的木头时产生的二氧化碳和氢气产生醋酸盐(白蚁的营养来源)。在他们关于“谁在做什么,在哪里做”的研究中,Leadbetter和他的同事搜索了整个白蚁肠道微生物库,以从负责乙酰化生成的有机体中识别特定的基因。

白蚁消化木材时发现新的肠道细菌

研究内容

研究人员从筛选微生物的RNA开始。RNA是一种基因信息,可以提供某个特定时间点上活跃基因的快照。他们从白蚁肠道微生物的总库中提取RNA,寻找积极转录的甲酸脱氢酶(FDH)基因,已知该基因编码一种乙酰化生成所必需的蛋白质。接下来,使用一种称为多重微流控数字聚合酶链反应(digital PCR)的方法,研究人员将之前未研究的单个微生物隔离到小隔间中,以识别携带FDH基因的实际微生物种类。FDH的一些基因在被称为螺旋体的细菌中被发现,螺旋体是一种先前预测的乙酰生成源。然而,这些螺旋体似乎不能单独解释白蚁肠道中产生的所有醋酸盐。

起初,加州理工学院的研究人员无法识别肠道中表达最活跃的FDH基因的微生物。然而,这项研究的第一作者、加州理工学院生物学博士后Adam Rosenthal和Xinning Zhang 注意到,这种基因在含有木块和更大的微生物(如原生动物)的肠道提取物中更为丰富。在分析了更厚实的肠道提取物后,他们发现,最活跃的FDH基因是由一种以前从未研究过的物种编码的,该物种来自一组被称为变形菌的微生物。这是第一个证据,表明肠道中大量的醋酸盐可能由非螺旋体产生。

白蚁消化木材时发现新的肠道细菌

技术及结果

这项技术由加州理工学院应用计算数学和生物工程教授Niles Pierce的实验室开发,他是PNAS研究的合作者——这项技术允许研究人员同时“绘制”表达FDH活性基因的细胞和同时识别不同荧光颜色的三角变形杆菌的基因。。“微流体实验表明,这两种颜色应该在相同的位置和相同的小细胞中表达,”Leadbetter说。事实上,他们的确如此。“通过这种方法,我们能够真正看到新的变形菌居住在哪里。事实证明,这些细胞生活在一种非常特殊的产氢原生动物的表面。”

Leadbetter说,根据对白蚁肠道复杂食物网的了解,这两种生物之间的联系是有意义的。他说:“这里有一个巨大的真核单细胞——原生动物——它在降解木材的过程中产生氢,而这些消耗氢的三角洲变形杆菌附着在它的表面。”“所以,这种新的致醋酸细菌尽可能地靠近它的氢源。”

Leadbetter说,这种亲密的关系可能从来没有被发现过,它是依赖于系统发育推断的。系统发育推断是将一种功能与一种特定有机体相匹配的标准方法。他说:“通过系统发育推断,我们说,‘我们对这种假想生物的亲缘关系知道得很多,所以在从未见过这种生物的情况下,我们就可以猜测它与谁有关。’”“但是通过这项研究中的技术,我们发现我们最初的预测是错误的。重要的是,我们已经能够确定具体的生物体和神秘生物体的位置,这两种物质在消耗氢并将其转化为昆虫可以使用的产品方面似乎都非常重要。”这些结果不仅为白蚁肠道内的乙酰生成找到了新的来源,还揭示了仅基于系统发育关系进行预测的局限性。

引用

California Institute of Technology. "New gut bacterium discovered in termite's digestion of wood." ScienceDaily. ScienceDaily, 26 September 2013.
www.sciencedaily.com/releases/2013/09/130926143242.htm.

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