饲喂玉米秸秆的白星花金龟幼虫肠道细菌多样性

发布时间：2020-03-06 15:48

【摘要】：【目的】分析比较饲喂玉米Zea mays L.秸秆的白星花金龟Protaetia brevitarsis幼虫中肠、后肠中细菌群落结构,挖掘肠道细菌在白星花金龟消化秸秆中的功能。【方法】分别提取健康白星花金龟3龄幼虫10个样品(5个中肠内含物、5个后肠内含物)肠道细菌总DNA,利用Illumina HiSeq技术对白星花金龟幼虫中肠和后肠细菌的16S rDNA V4区序列进行测序,统计样品操作分类单元(operational taxonomic units,OTUs)数量,分析物种丰度、α多样性和β多样性,并将细菌群落信息映射到KEGG基因组数据库,进行细菌群落功能挖掘。【结果】共获得白星花金龟3龄幼虫肠道细菌1 062 897高质量reads,聚类为2 441个OTUs,总共注释到27个门,51个纲,77目,168科,326属。在属的分类阶元上,中肠中以假单胞菌属Pseudomonas为最优势属,后肠中以脱硫弧菌属Desulfovibrio为最优势属。α多样性分析表明,后肠群落多样性更丰富;β多样性分析结果显示,后肠微生物群落更稳定。细菌群落功能分析结果显示,中肠、后肠细菌群落都含有降解秸秆相关的酶系,其中,中肠降解木质素相关的通路更丰富,后肠降解纤维素的酶更多。【结论】采用Illumina HiSeq测序技术明确了饲喂玉米秸秆的白星花金龟幼虫中肠、后肠细菌群落结构与特点,进一步发现了肠道细菌在白星花金龟秸秆消化过程中发挥的作用,相关研究结果将为白星花金龟消化秸秆的机制深入研究提供参考,为我国秸秆资源化利用提供新思路。
【图文】：

636昆虫学报ActaEntomologicaSinica60卷图1白星花金龟3龄幼虫肠道细菌优势门(A)和属(B)相对丰度Fig．1Ｒelativeabundanceofdominantphylum(A)andgenus(B)ofgutbacteriainthe3rdinstarlarvaeofProtaetiabrevitarsis2．3白星花金龟幼虫中肠和后肠细菌α多样性分析稀释曲线(rarefactioncurve)可以用来评价测序量是否足以覆盖所有类群，并间接反映样品中物种的丰富程度。当曲线趋于平缓时，说明测序数据量合理，更多的数据量对发现新OTU的贡献很小，反之则表明继续测序还可能产生较多新的OTU，本研究各样品的覆盖度都在99%以上且各样品的物种稀释曲线趋于饱和(图2)，，表明各样品测序深度足够。比较白星花金龟幼虫中肠和后肠细菌群落的Shannon指数、Chao指数和Simpson指数发现，中肠和后肠微生物多样性都具有显著性差异;另外后肠细菌群落的Shannon平均指数和Chao平均指数均大于中肠，说明后肠微生物群落多样性、丰富度都高于中肠;后肠细菌群落的Simpson平均指数低于中肠，说明后肠优势微生物更集中(表2)。2．4白星花金龟幼虫中肠和后肠细菌β多样性分析本研究通过PCoA(principalco-ordinatesanalysis)可视化方法观察样品间的多样性差异，利用微生物群落多样性进行PCoA分析，发现样品的组织来源是样品间差异的主要原因。中肠5个样品和后肠5个样品分别聚集在不同的椭圆内，之间没有交集，表示中肠和后肠的细菌群落具有显著差异，后肠椭圆内的5个样品之间的距离都小于中肠，可见后肠样品间的微生物群落一致性更高。PC1和PC2分别表示对样品差异贡献率最大的两个因素。β多样性分析(图3)是用来研究样品之间在物种多样性差异。但是unweightedPCoA与weightedPCoA在PC1上有较大差异，unweightedPCoA的PC1为23．0%，而weightedPCoA的PC1?

6期田小燕等:饲喂玉米秸秆的白星花金龟幼虫肠道细菌多样性637图2白星花金龟3龄幼虫中肠和后肠中细菌群落香浓指数稀释曲线Fig．2ＲarefactioncurveofShannonindexofbacterialcommunitiesinthemidgutandhindgutofthe3rdinstarlarvaeofProtaetiabrevitarsis表2白星花金龟幼虫中肠和后肠细菌多样性指数Table2Alphadiversityindicesofthebacteriainthemidgutandhindgutofthe3rdinstarlarvaeofProtaetiabrevitarsis样品Sample多样性指数DiversityindexChao1Shannon2Simpson中肠Midgut1524．98±55．795．97±0．480．09±0．03后肠Hindgut1623．32±11．227．7±0．090．02±0．002P0．0090．0000．001图中数据为平均值±标准差;P＜0．01表明组间存在极显著差异(单因素方差分析)。Datainthetablearemean±SD．P＜0．01showsextremelysignificantdifferencesbetweengroups(one-wayANOVA)．秸秆的主要活性物质，进一步比较了各样品在酶种类映射水平上的差异，结果显示(图3)样品的组织来源是同样是样品间差异的主要原因，PC1为84.8%，说明中肠、后肠微生物群落差异进一步在消化功能上反映出来。2．5白星花金龟幼虫中肠和后肠细菌群落功能分析通过16SrDNA序列注释信息映射KEGG基因组数据，可以获得已测序细菌基因组编码的酶以及代谢通路信息。秸秆中的主要成分包括纤维素、半纤维素以及木质素等。其中纤维素、半纤维素属于多糖，其降解主要依赖糖苷酶和部分单加氧酶等(Johansen，2016)，而木质素降解相对复杂，主要涉及芳香类化合物的降解途径(Buggetal．，2011)按照KEGG基因组映射数据，中肠和后肠含有的糖苷酶有6-磷酸-β-葡糖苷酶、葡聚糖1，4-α-葡糖苷酶、葡聚糖1，6-α-葡糖苷酶、α-葡糖苷酶、寡聚-1，6-葡萄糖苷酶、β-葡糖苷

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