无菌动物及其在微生物与宿主互作机制研究中的应用

无菌动物是指通过现代技术手段在其体内外的任何部位均检测不出细菌、真菌、放线菌、支原体、衣原体、螺旋体、立克次氏体、病毒、原生动物和寄生虫的动物。无菌动物因其不携带任何微生物,可转化为携带特定微生物的动物,同时因其免疫系统处于休眠状态,对微生物感染异常敏感,可建立多种悉生动物模型,用于特定微生物感染实验和致病机制研究。此外,无菌动物作为关键工具,是研究菌群与疾病关系的核心,在微生物与宿主健康、疾病和感染机制研究过程中,起着不可替代的作用。本文将对无菌动物及其在微生物与宿主互作机制研究中的应用进行简要综述。     

互惠共生微生物多样性研究概况

所谓互惠共生微生物(mutualistic symbiotic microbes,MSM)是指能定殖其他生物构建互惠共生体系的微生物,主要包括互惠共生细菌、互惠共生放线菌和互惠共生真菌等。MSM种类繁多、分布广泛、物种多样性丰富,涉及原核生物界和真菌界等。MSM定殖人体、动物、植物、藻类或其他真菌,可构建各自相应的互惠共生体系,进而形成范围更加巨大的共生网络,发挥不可替代的生理生态功能。本文在介绍MSM概念的基础上,重点总结了MSM多样性研究进展,指出了目前研究中尚存在的问题,探讨了今后应该开展的工作,MSM多样性研究成果可望为研发MSM应用技术提供依据和材料。     

互惠共生微生物：新资源，新技术，新机遇，新挑战

2020年9月联合国环境规划署发布《全球生物多样性展望-5》(GBO-5)报告,助力世界实现协商一致的愿景——到2050年“与自然和谐相处”。其实,原本地球上的所有生物都是相互依存、互惠共生于地球村的,尽管存在少数“坏分子”。但由于人类的贪婪,过度扩张才导致地球“千疮百孔”的面貌,严重威胁到人类文明可持续发展。通过最近20年的研究,互惠共生微生物(mutualistic symbiotic microbes,MSM)从其丰富的群落多样性到种质新资源、从多种多样的生理生态功能到作用机制、从基础探究到新技术研发,为实现人与自然和谐相处的愿景提供了新机遇,同时也面临新挑战。令人可喜的是,中国在MSM研究领域取得了令世人瞩目的成果。《微生物学通报》于2020年11期特别推出了“互惠共生微生物专栏”,旨在展现中国MSM研究的最新进展和成果,促进生物共生学的发展壮大。     

肠道共生微生物与健康和疾病

人体是个庞大的动态的微生物群落的天然寄居场所,人体的皮肤、口腔、消化道、呼吸道和生殖道等部位都寄生着大量的微生物.这些微生物与人体互惠互利,形成共生复合体.其中,肠道共生微生物与宿主的相关性及对宿主生理和病理状态的影响已经得到了很好的阐释.肠道共生微生物的主要功能是帮助宿主代谢,使得能量和可吸收的营养物质更好的被利用,为肠道上皮细胞提供营养,增强免疫功能,帮助寄主抵抗外来微生物的入侵.肠道菌群紊乱也是一些疾病的症状或诱发原因,比如肥胖、糖尿病和肠道炎症等.深入研究人类共生微生物与健康和疾病的关系,将为一些疾病的预防和治疗提供新的手段.     

微生物的运动性和趋化性在共生体系中的作用

许多共生关系依赖于宿主从环境中募集微生物相互作用后形成,而共生微生物的发现和定殖宿主的机制尚不清楚。通常认为环境共生体的获得往往需要运动和趋化作用来使微生物主动迁移和定殖。这些行为在建立和维持共生相互作用方面的关键性已经在少数模式系统中得到了很好地确立和证实。但在大多数环境共生体中,这些行为在很大程度上仍被忽视了。基于对模式案例的分析,总结了宿主应用共生微生物的趋化性和运动性在何时、何地、如何实现共生募集以及有哪些影响募集的因素。强调了这些共生行为在大范围的宿主和环境中的重要性,并对共生关系中微生物的运动性和趋化性的作用研究进行了展望,旨在为今后的相关研究和实际应用提供参考。     

肠道微生物与昆虫的共生关系

昆虫肠道栖息着大量的微生物。随着近年来研究肠道微生物的方法不断进步,尤其是基于16S rDNA的分子生物学方法的应用,人们对肠道微生物的了解逐渐加深。昆虫肠道对于微生物的拓殖存在一定的选择作用。肠道微生物对昆虫寄主的作用包括提供营养、利用拓殖抗性抵抗外来微生物侵袭、参与多重营养关系、引起昆虫免疫反应。长期进化过程中肠道微生物与昆虫发展出紧密的共生关系,微生物发展出一系列手段适应昆虫肠道环境。文章从以上几个方面对近年来的研究进展进行总结,并对昆虫肠道微生态学的实践意义和将来可能的研究热点进行展望。     

昆虫共生微生物：研究进展与展望

昆虫共生微生物是指与昆虫宿主建立持久互作关系的微生物,这些微生物分布于昆虫的体表、肠道、血腔或者细胞内,参与调节宿主昆虫的多种生理功能。昆虫-共生微生物互作研究涉及多个学科领域的交叉。深入研究昆虫共生微生物的功能及其与宿主的互作关系不仅有助于阐明重要的生命科学机理,还将为害虫治理和虫传病害的防控以及益虫的有效利用提供新的思路和方法。近年来,我国学者在昆虫微生物组研究领域取得显著进展,在多个研究方向取得重要成果。本文概述了国内外昆虫共生微生物研究的最新进展,介绍了本专辑论文的主要研究内容,并提出了值得关注的3个研究方向：(1)昆虫细胞内共生微生物的功能;(2)昆虫调控共生微生物丰度和传播的机制;(3)昆虫共生微生物的遗传改造和应用。     

肠道共生微生物脂质代谢物的黏膜免疫调节功能与机制

机体的肠道黏膜表面存在着大量与宿主免疫系统互作的共生微生物,其所编码的代谢通路可产生多种具有免疫调节活性的小分子物质。膳食脂肪可经脂解作用形成游离脂肪酸,并在肠道胆汁酸的协助下作为必需营养元素被机体所吸收利用。与此同时,肠道共生微生物既可将宿主来源的胆汁酸转化为多种脱结合胆汁酸或次级胆汁酸,也可将部分膳食来源的长链不饱和脂肪酸代谢为多种异构衍生物。目前,关于肠道共生微生物介导的脂质代谢网络调控宿主黏膜免疫系统发育、成熟与功能的研究方兴未艾。结合该实验室的相关研究,该文将对共生微生物脂质代谢物与肠道黏膜免疫互作机制的前沿进展进行综述与讨论。     

动物共生放线菌研究展望

近年来利用分子生态学技术已在多种动物肠道检测到放线菌的存在,对这些动物特别是昆虫共生放线菌的研究已在新型放线菌资源中发现新型天然产物,阐明了生物共生系统的进化,并在控制虫媒传染病等方面显示出诱人前景。结合本实验室研究成果,主要对陆生动物共生放线菌的研究进展进行综述,并对其研究前景进行介绍。     

动物的共生菌固氮

介绍了共生菌固氮涉及的动物和微生物类群、动物共生菌固氮的性质和机理。应用乙炔还原法和固氮酶基因检测等研究表明,所涉及的动物有7门13纲23目50科99属174种。动物肠道具有丰富的微生境,供不同生理需求的固氮菌生长发育,所蕴含的共生固氮菌类群也十分丰富,涵盖植物共生固氮菌、植物内生固氮菌、植物根际固氮菌、自生固氮菌等生态类型。一般认为动物共生固氮菌来源于环境,其性质属于联合共生固氮。动物共生固氮菌一般与其他共生生物形成复合体,以满足固氮过程中对电子和质子供体、能量供给、固氮酶活性保护以及氨阻遏解除等方面的需求。动物共生菌固氮产物氨的同化也需要多种共生物的协同作用,可能通过谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶等途径。总体上,食物氮、非蛋白氮和共生菌固氮相互协调,形成营养和解毒的代谢网络,共同维持动物体内氮素营养的动态平衡,并对未来研究提出展望。     

昆虫共生微生物及其功能研究进展

昆虫体内共生微生物能够占到昆虫生物量的1％～10％,主要包括细菌、真菌、古菌和病毒.昆虫与共生微生物共进化形成共生体,共生微生物在昆虫生物学性状、多样性形成、生态适应性与抗逆性等多方面发挥着重要的作用.昆虫中的农作物害虫严重影响农业生产.本文对2000年以来农业害虫共生微生物的多样性、研究方法和功能机制、共生微生物之间...     

昆虫肠道微生物分离培养策略及研究进展

昆虫肠道作为一种特殊生境,生存着多种多样的共生微生物,并且肠道内的很多微生物与自然界其他生境的微生物种类显著不同。基于对纯培养微生物的研究,科学家们发现,肠道微生物与昆虫营养、生长发育及免疫等功能密切相关。因此,分离培养是发现微生物新种类、新基因和新功能的基础。然而,自然界可培养的微生物大约只占总数的1%。为了能够对更多的微生物进行分离和培养,近二十年来,微生物学家们发展了诸多新的培养技术和策略并利用它们从昆虫肠道分离出了很多新的难培养微生物。这些新的微生物种类极大地丰富了我们对肠道共生微生物生理作用与功能的认识。以此为基础,本文综述了昆虫肠道微生物分离培养的策略及研究进展,并对未来该领域的发展进行了展望。     

New challenges in the study of the evolution of wild animals and their gut microbiome

In this viewpoint, by reviewing the recent findings on wild animals and their gut microbiomes, we found some potential new insights and challenges in the study of the evolution of wild animals and their gut microbiome. We suggested that wild animal gut microbiomes may come from microbiomes in the animals'' living habitats along with animals'' special behavior, and that the study of long‐term changes in gut microbiomes should consider both habitat and special behaviors. Also, host behavior would facilitate the gut microbiome transmission between individuals. We suggested that research should integrate the evolutionary history and physiological systems of wild animals to understand the evolution of animals and their gut microbiomes. Finally, we proposed the Noncultured‐Cultured‐Fermentation‐Model Animal pipeline to determine the function (diet digestion, physiology, and behavior) of these target strains in the wild animal gut.     

Gut microbiota of animals living in polluted environments are a potential resource of anticancer molecules

Cancer is a prominent cause of morbidity and mortality worldwide, in spite of advances in therapeutic interventions and supportive care. In 2018 alone, there were 18·1 million new cancer cases and 9·6 million deaths indicating the need for novel anticancer agents. Plant-based products have often been linked with protective effects against communicable and non-communicable diseases. Recently, we have shown that animals such as crocodiles thrive in polluted environments and are often exposed to carcinogenic agents, but still benefit from prolonged lifespan. The protective mechanisms shielding them from cancer could be attributed to the immune system, and/or it is possible that their gut microbiota produce anticancer molecules. In support, several lines of evidence suggest that gut microbiota plays a critical role in the physiology of its host. Here, we reviewed the available literature to assess whether the gut microbiota of animals thriving in polluted environment possess anticancer molecules.     

Faecal microbiome sequences in relation to the egg-laying performance of hens using amplicon-based metagenomic association analysis

Exploring the composition and structure of the faecal microbial community improves the understanding of the role of the gut microbiota in the gastrointestinal function and the egg-laying performance of hens. Therefore, detection of hen–microbial interactions can explore a new breeding marker for the selection of egg production due to the important role of the gut microbiome in the host’s metabolism and health. Recently, the gut microbiota has been recognised as a regulator of host performance, which has led to investigations of the productive effects of changes in the faecal microbiome in various animals. In the present study, a metagenomics analysis was applied to characterise the composition and structural diversity of faecal microbial communities under two selections of egg-laying performance, high (H, n = 30) and low (L, n = 30), using 16S rRNA-based metagenomic association analysis. The most abundant bacterial compositions were estimated based on the operational classification units among samples and between the groups from metagenomic data sets. The results indicated that Firmicutes phylum has higher significant (P < 0.01) in the H group than in the L group. In addition, higher relative abundance phyla of Bacteroides and Fusobacteria were estimated in the H group than the L group, contrasting the phyla of Actinobacteria, Cyanobacteria and Proteobacteria were more relative abundance in the L group. The families (Lactobacillus, Bifidobacterium, Acinetobacter, Flavobacteriaceae, Lachnoclostridum and Rhodococcus) were more abundant in the H group based on the comparison between the H and L groups. Meanwhile, three types of phyla (Proteobacteria, Actinobacteria and Cyanobacteria) and six families (Acinetobacter, Avibacterium, Clostridium, Corynebacterium, Helicobacter and Peptoclostridium) were more abundant in the L group (P < 0.01). Overall, the selection of genotypes has enriched a relationship between the gut microbiota and the egg-laying performance. These findings suggest that the faecal microbiomes of chickens with high egg-laying performance have more diverse activities than those of chickens with low egg-laying performance, which may be related to the metabolism and health of the host and egg production variation.     

黑胸散白蚁（Reticulitermes chinensis Snyder）肠道共生古菌的系统发育分析

摘要：【目的】利用非培养法对黑胸散白蚁（Reticulitermes chinensis Snyder）肠道共生古菌进行系统发育分析。【方法】采用古菌16S rDNA通用引物以黑胸散白蚁全肠DNA为模板扩增共生菌的16S rDNA并建立基因文库,对得到的基因序列进行系统发育分析。【结果】从黑胸散白蚁肠道得到5个不同的16S rDNA序列,它们之间的相似性为93.2%～99.2%,系统发育分析表明这5个16S rDNA序列代表的克隆分别与来源于黑胸散白蚁近缘种,栖北散白蚁和北美散白蚁肠道中的甲烷短杆菌克隆或     

昆虫共生细菌研究进展

昆虫体内定殖着大量微生物,经过漫长协同进化,昆虫与这些微生物构建了共生体系,这些昆虫共生微生物参与整个生态过程,对于生态系统中物质转化与交换、能量流动与利用、信息传递与调控等均发挥着重要作用。昆虫共生细菌具有丰富的物种多样性;昆虫与其共生细菌之间通过化学机制、生理机制、生态学机制和遗传学机制构建复杂的共生体系;昆虫为细菌提供稳定的生境并共享特定的代谢途径,共生细菌则协助宿主营养代谢,提供食物中缺乏的养分,促进昆虫生长和繁殖;通过分泌抗菌肽、毒素等,细菌能增强昆虫对寄生物的防御能力和抗病性,并通过调节昆虫对非生物因子的抗逆性和耐药性,扩大昆虫的生态位。昆虫共生细菌在农林牧渔业可持续安全生产与医药研发等领域具有应用潜力和广阔的发展前景。     

昆虫肠-脑轴的研究进展

肠-脑轴是大脑和肠道神经系统双向联系的通道,近年来关于肠道微生物与宿主的神经生理和行为之间关系的研究快速增长,成为学科领域研究热点和发展方向之一。肠-脑轴调控昆虫多种行为和生理功能,昆虫的生长发育、繁殖等都与肠道菌密不可分。本文综述了肠道微生物对昆虫觅食、运动、交配、攻击、学习和记忆行为以及社会性行为的影响,并且概述了以昆虫为模型,对肠-脑轴与人类神经性疾病相关性研究的进展。