昆虫肠道微生物多样性研究进展

河南农业科学，2016 ,45(11) : 1-7

Journal of Henan Agricultural Sciences d〇i：10. 15933/ki. 1004-3268.2016. 11.001昆虫肠道微生物多样性研究进展

鲁迎新\刘彦群\李群\夏润玺\王欢

(1.沈阳农业大学生物科学技术学院，辽宁沈阳110161; 2.沈阳工学院，辽宁抚顺113122)

摘要：昆虫肠道内存在种类繁多、数量庞大的微生物，这些肠道微生物种群结构的多样性与昆虫种 类、龄期、消化道形态、食物的喂养条件、生存环境等息息相关。近几年，随着大规模测序技术、组学 技术的发展，应用分子生物学技术快速、定性、定量研究昆虫肠道微生物种群的多样性已成为热点。

介绍了昆虫肠道微生物的分类和检测方法，综述了昆虫肠道微生物多样性的研究进展，以期为昆虫 与其肠道微生物的协同进化和害虫防治等研究提供基本方法和数据，为今后昆虫肠道微生物的研 究提供理论参考。

关键词：昆虫；肠道微生物；多样性；检测方法

中图分类号：Q938 文献标志码：A 文章编号：1004 -3268(2016)11 -0001 -07

Research Progress on Intestinal Microbial Diversity of Insects

LU Yingxin1，LIU Yanqun1，LI Qun1，XIA Runxi1，WANG Huan1’2**

(1. College of Bioscience and Biotechnology, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161 , China ；

2. Shenyang Institute of Technology, Fushun 113122 , China)

A bstract：There are a wide variety and large number of microbes in insect gut. The population diversity of intestinal microbes is related to insect species, age, intestinal morphology, food, feeding conditions and living environment, etc. In recent years, rapid, qualitative and quantitative study of intestinal microbial diversity by molecular biology techniques has become a hot spot with the development of the large-scale sequencing and omics technologies. In this paper, the classification and detection method of the insect intestinal microbes were described, and the progress on intestinal microbial diversity of insects was reviewed. Those would provide basic data and methods for research of insect gut microbes and pest control.

Key w ords：insect；intestinal microbes; diversity；detection method

昆虫是全球最多样化、数量最多、进化历史最悠 久、分布最广泛的动物之一[1]，而这些特征与昆虫的共生物以及生存环境密不可分。昆虫的共生物，尤其是肠道微生物能够提高贫瘠食物的营养、帮助 消化食物，提高对天敌、寄生虫和病原菌的防护，影 响昆虫种间、种内物质交流，传播疾病，甚至具有调 控交配和生殖系统的功能[2_3]。昆虫的肠道伴随取 食、消化、排泄等活动，是一个可变的动态环境[4]，肠道微生物的结构、数量和种类也富于动态变化，这些变化都会对昆虫产生一定的影响，因此已经有很 多学者从微生态学角度研究昆虫与肠道微生物的共 生关系[5_6]。近几年随着大规模测序技术、组学技 术的发展，生命科学也步人了“大数据”时代，应用 分子生物学技术快速、定性、定量研究昆虫肠道微生 物种群的多样性已经成为热点。综述了昆虫肠道微 生物多样性的研究进展，以期为昆虫与其肠道微生物的协同进化和害虫防治等研究提供基本方法和数 据，为今后昆虫肠道微生物的研究提供理论参考。

收稿日期=2016 -06 - 11

基金项目：国家自然科学基金项目（30800803 );辽宁省大学生创新训练项目（201413201014)

作者简介：鲁迎新（1992 -)，女，辽宁朝阳人，在读硕士研究生，研究方向：动物细胞与分子生物学。

E - mail ： luyingxin329@ 163. com

*通讯作者：王欢（1977 -)，女，辽宁沈阳人，副教授，博士，主要从事昆虫病理与生物防治研究。

E - mail ： zanhuan@ 163. com

2河南农业科学第45卷

1昆虫肠道微生物的种类

昆虫肠道微生物可根据其在肠道内生存定居的 时间及其与昆虫的关系进行分类[7_8]。在肠道占有

特定区域的微生物是常驻微生物群落（autochtho­nous 或 indigenous) ; 而不能在健康昆虫肠道内长期

生存的微生物为过路微生物群落（allochthonous或 transient)。有些过路微生物对昆虫具有致病作用，

如苏云金杆菌（SaciZZus t/mciTigieTisis)、嗜线虫致病杆 屬（Xenorhabdus nem atophila')、发光杆屬（.Photorhab-(i u s Zumiyiesceyis)等是病原菌（pathogen);而能够保护 寄主、抵御疾病的微生物是益生菌（probiotics) [9]。有些肠道微生物能够与昆虫互利共生则为共生菌[1°_"]，包括兼性共生菌和专性共生菌，兼性共生菌通常可以体外培养[12_13]，离开昆虫对昆虫没有影响或影响很小；但昆虫在缺少专性共生菌的情况下两者均无法存活[14]。有些肠道微生物会对昆虫的生长发育造成明显影响，甚至可能导致寄主死亡，这 类微生物为寄生菌。

2昆虫肠道微生物多样性检测方法

2.1传统培养检测方法

传统培养检测方法是在分离培养昆虫肠道微生

物的基础上，根据菌株形态和生理生化特征进行鉴

定检测[15]。这种方法需要体外培养昆虫肠道微生物，目前可用于检测昆虫肠道微生物的培养基包括 牛肉膏蛋白胨（N A)培养基、L B培养基、克氏双糖铁 琼脂（K I A)培养基、三糖铁琼脂（TSI)培养基、赖氨 酸铁琼脂（L I A)培养基、不发酵革兰阴性杆菌初筛鉴定培养基、柠檬酸盐甘露醇琼脂培养基、气单胞菌 初筛鉴定培养基等。由于培养方法、培养基成分和 技术的限制，很多昆虫肠道微生物无法体外培养[1647]，因此传统培养检测鉴定方法得到的信息十 分有限。

2.2基于16S rRNA基因的分子检测方法

16S r R N A是原核细胞核糖体30S小亚基的组成部分，其编码基因存在于所有细菌的基因组中。16S r R N A基因具有高度的保守性和特异性，基因片 段长度比较适宜，碱基排列顺序复杂度适中，可用通 用P C R引物或探针对特定微生物进行种类鉴定，由于其具有9个可变区，也可设计一些特异性的引物和探针，进行某些特定细菌属、种的鉴定[18_19]。

16S r R N A基因序列法基于不同微生物种类核酸组成上的差异，通过采用某些引物扩增差异基因或直接对核酸进行测序，将所获得的核酸序列与一些基因数据库中的已知序列进行比对，进而分析不 同微生物之间的相互关系。由于16S r R N A基因检 测技术序列测定和分析比对操作相对简单，已成为 昆虫肠道微生物检测和鉴定的一种强有力工具[2°]。

2.3基于焦磷酸测序法的超高通量基因组测序检测方法

焦磷酸测序法是依靠生物发光对D N A序列进 行检测的方法[21_22]。超高通量基因组测序系统GS - F L X能够在D N A聚合酶、A T P硫酸化酶、荧光素酶 和双磷酸酶的协同作用下，将引物上每一个d N T P 的聚合与一次荧光信号释放偶联起来，通过检测荧 光信号释放的有无和强度，可实时测定D N A序列。此技术不需要荧光标记的引物或核酸探针，也不需 要进行电泳，具有分析快速、准确、高灵敏度和高自 动化的特点[23_25]。

利用基于焦磷酸测序法的超高通量基因组测序 系统能够得到大量的表达序列标签（E S T)，通过对 这些E S T序列与已知数据库进行生物信息学分析比较，能够全面了解和分析昆虫肠道微生物的多样性。

2.4基于宏基因组学的检测方法

宏基因组学（metagenomics)也称为兀基因组学，是以样品中的微生物群落作为整体进行研究的学科[26_27]。宏基因组学研究不要求对每个微生物进行分离纯化培养，而是直接从环境样品中提取全部微生物，或通过测序探究环境中微生物的群落结构和功能（序列驱动），或构建宏基因组文库，从而 筛选新的基因或生物活性物质（功能驱动）。这种 方法克服了传统培养方法的缺陷，极大地丰富了人们对微生物多样性及其功能的认知[28]。

高通量测序技术和基因芯片技术是宏基因组技 术中的2类关键技术。测序技术可以发现新物种和 新基因，但由于测序深度有限、定量性差，不易发现 低丰度物种且易受污染物干扰；芯片技术很好地克 服了这些局限，但不易于发现新基因，将2类技术结 合起来的综合研究越来越多[29]。通过采用宏基因组技术，能够解释微生物群落多样性、种群结构、进 化关系、功能活性及其与环境之间的相互协作关系，极大地扩展了微生物学研究范围，也为昆虫肠道微生物多样性研究提供了新方法。

2.5基于DGGE指纹图谱技术的检测方法

D G G E(变性梯度凝胶电泳）指纹图谱技术是根 据D N A在不同浓度的变性剂中解链行为不同而导致电泳迁移率发生变化，从而将片段大小相同而碱基组成不同的D N A片段分开的一种技术。这种技