中国农业大学植物保护学院昆虫学系周欣、张雪团队，与深圳先进技术研究院戴磊团队合作，近期在《自然通讯》（Nature Communications）上发表了题为《Synergistic pectin deconstruction is a prerequisite for mutualistic interactions between honeybee gut bacteria》的研究成果，揭示了蜜蜂肠道中两种核心共生菌Bifidobacterium asteroides和Gilliamella apicola之间在果胶多糖降解过程中存在条件依赖型的互惠关系，解析了在不同花粉食物条件下，果胶的甲酯化程度介导了双方互作关系的转换及肠道菌群的动态变化。
蜜蜂对花粉和花蜜的专食性决定了这一类重要传粉昆虫的生态功能，在生态系统和农业生产中发挥着关键作用。然而，蜜蜂自身并无法代谢花粉多糖，需要依赖共生肠道菌群对其进行降解。蜜蜂是广谱型的传粉者，蜜粉源植物的组成多样。而不同花粉物种及多糖组成的多样性又影响了肠道菌群的结构。蜜蜂具有简单而保守的肠道菌群组成，5种核心肠道菌在多糖代谢上存在明显分工，但单打独斗式的代谢功能显然无法应对多样化的食物多糖。因此，不同肠道菌之间在多糖代谢上很可能存在互作关系，而基于多糖代谢的肠道菌间互作关系，进一步决定了不同多糖组成下的肠道菌群动态。理解这一动态关系有助于通过调控菌群结构实现蜜蜂的保护，但相关研究仍存在较大空白。
Gilliamella是重要的果胶降解菌，编码所有降解和利用果胶骨架所需要的酶，唯独缺少果胶去甲酯化酶（CE8）。因此，高甲酯化的果胶会抑制Gilliamella的利用和生长。大规模单菌基因组分析和蛋白质预测发现，另一种蜜蜂肠道核心菌Bifidobacterium asteroides可以特异性编码CE8。这一互补功能的存在提示双方可能通过合作来降解果胶。团队首先通过在体外分别表达来自Gilliamellla的果胶裂解酶PL1和来自Bifidoabcterium的果胶甲酯酶CE8，并检测酶活力和酶学关系，确认了这两种酶在果胶降解中具有协同作用。结合体外培养实验发现，CE8处理后的高甲酯化果胶解除了对Gilliamella的果胶降解酶活性（PL1）和生长量的抑制。同时，Gilliamella的果胶代谢产物也能交叉喂养Bifidobacteirum，促进其生长，从而产生了互惠的互作关系。
有趣的是，基于体外培养的实验发现，在低甲酯化果胶条件下，Gilliamella能够独立降解果胶，不再依赖Bifidobacteirum的去甲酯功能。同时，Gilliamella不再与Bifidobacteirum分享果胶代谢产物，二者间的互利共生关系随机消失，转变为中性的互作关系。
这种互作关系的转换导致上述两种菌的菌群动态在不同果胶食物条件下发生改变。在体内定植实验中，在高甲酯化的果胶条件下，两种菌的丰度在共定植时都显著高于各自单定植的丰度。而在低甲酯果胶条件下，仅Gilliamella能够在单定植和共定植下增长，而Bifidobacterium的丰度没有改变。因此，这两种菌的条件互作关系在蜜蜂的活体条件下得到了证实。
本研究进一步探究了上述互作关系转变的机制。通过使用配备脉冲电流检测器的高效阴离子交换色谱技术，结合qPCR基因表达检测和消费者-底物的建模分析，发现不同甲酯化程度影响了代谢中间产物半乳糖醛酸二糖（di-GalA）和单糖（GalA）的生成比例，从而影响了两种菌对公共底物的利用关系，导致了互作关系的转变。
本研究揭示了Bifidobacterium和Gilliamella两种蜜蜂肠道菌在果胶多糖降解上的合作机制，为理解多糖介导的肠道菌群互作关系提供了证据。同时，这项研究为理解环境变化对菌群生态系统的动态调控机制奠定了基础，并为人类菌群系统内互作关系的研究以及益生菌和益生元的开发提供了新的思路。
中国农业大学食品科学与营养工程学院2018级博士生唐浚博和深圳先进研究院博士后左文龙为论文的共同第一作者，中国农大植物保护学院周欣、张雪，深圳先进研究院研究员戴磊为论文的通讯作者。中国农业大学食品科学与营养工程学院郑浩教授为本研究提供实验用菌株。中国科学院动物研究所刘山林研究员、哥本哈根大学吕丽伟博士和中国农业大学食品科学与营养工程学院仲召鹏博士提供了技术指导。中国科学院西双版纳热带植物园汪正威研究员和中国药科大学生物医学工程学院韩智豪副教授提供了实验平台支持。本研究获得了国家自然科学基金面上项目、青年科学基金项目、国家高层次人才特支计划、中国农业大学2115人才发展计划、江苏省自然科学基金、国家卫生健康委核医学重点实验室和江苏省分子核医学重点实验室开放课题，以及中国农业大学三亚研究院项目的资助和支持。
供稿：植保学院
供图：植保学院
编辑：李杨
责编：武慧媛
