摘要
动物与高度复杂和动态的微生物群落密切相关，共生的肠道微生物具有丰富的基因组和代谢库，深刻影响着宿主代谢、免疫和复杂行为。在漫长的时间尺度上，宿主与肠道微生物群相互选择，深刻影响着彼此的生理和进化。因此，识别肠道微生物群落基因和代谢功能的多样性，明确微生物的宿主特异性的形成机制对于理解和控制动物和共生微生物之间的相互作用过程至关重要。当前传统的测序分析方法通常会掩盖来自同一物种的菌株之间的基因组和表型多样性，创新的基于液滴的微流体单细胞筛选和培养可能有助于阐明菌株间的相互作用。此外，肠道微生物宿主特异性形成机制的研究方法目前主要集中在模型细菌，常压室温等离子体技术(ARTP)有助于在温和处理条件下克服肠道细菌低自发突变率的瓶颈，能够应用于宿主特异性机制研究。蜜蜂是重要的农业授粉昆虫，已经被开发为广泛接受的实验动物模型，肠道菌群对其健康的作用已被深刻研究。重要的是，有限数量的细菌系统型定植在蜜蜂肠道中，不同菌株已经被证明具有独特的基因组潜力和关键能力，来自不同宿主的相同菌种难以交叉定植，这为菌株水平的基因组多样性和宿主特异性分析提供了良好模型。 在本研究中，我们构建了一个液滴微流控平台，并产生了约6×108个包裹着来自西方蜜蜂肠道的单个细菌的微液滴，并在不同的培养基中培养。鸟枪法宏基因组测序和分析揭示了液滴培养后群落结构的显著变化，某些物种显示出比肠道样本更高的菌株水平多样性。我们还获得了宏基因组组装的基因组，并通过比较基因组分析揭示了蜜蜂中双歧杆菌的潜在新簇。从液滴培养获得的蜂粮乳杆菌(Lactobacilluspanisapium)菌株独特地含有一组编码L-阿拉伯呋喃糖苷酶的基因，它对于细菌在富有挑战性环境中的存活可能非常重要。为了进一步研究肠道微生物的宿主特异性机制,我们以蜜蜂实验动物模型为基础，通过体内连续传代追踪了ARTP处理后的熊蜂Snodgrassellaalvi菌株在非原生蜜蜂宿主的体内适应过程。我们观察到对宿主适应性增强的传代分离株在相互滑动位点(mgl)中表现出遗传变化。孤立的mglB(GTP酶激活蛋白)发生的等位基因突变可能通过改变细胞的Ⅳ型菌毛依赖性运动来促进定植，随后的体内竞争实验证实突变株在非原生蜜蜂宿主肠道中胜过祖先菌株。 通过将单个细菌细胞封装在微流体液滴中进行培养，以排除菌株间潜在的资源竞争，高分辨率的鸟枪法宏基因组测序结合比较基因组分析方法揭示了宿主特异性的潜在机制。同时，通过使用ARTP诱变生成肠道微生物突变体文库，我们研究了对蜜蜂肠道细菌宿主特异性具有重要意义的遗传特征。我们的研究结果在展示肠道微生物宿主多样性的同时，揭示了多糖代谢和细胞运动能力在宿主关联中的意义，为更复杂的动物微生物群落的大规模研究，以及更深入宿主和微生物相互作用提供了可行的实验系统，有望在肠道菌群研究中发挥贡献。
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