福寿螺肠道微生物群落特征与其入侵关系的研究进展
时间：2023-02-13 17:40:07 来源：千叶帆 本文已影响人
刘 川，万自学，喻夜兰，杨海君
（1.宁乡市乡村宜居建设服务中心，湖南 长沙 410600；
2.湖南农业大学植物保护学院，湖南 长沙 410128；
3.湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128）
近年来，随着人们对肠道菌群在宿主生理活动中有巨大影响的认识日益加深，肠道微生物菌群逐渐被称为动物体内另一个“内分泌器官”[1]和“第二基因组”[2]，但相比其他肠道微生物热点研究寄主而言，有关福寿螺肠道微生物在全球范围内的研究仍偏少[3-4]。作为一种外来入侵水生腹足纲动物，福寿螺（Pomacea canaliculata）具有生命周期短、生长快、成熟早、繁殖力高、生态幅宽、适宜性强、可塑性大和食性广等特征[5]，结合对其他动物肠道微生物的研究发现，其强大的消化能力和生态耐受性都可能与肠道微生物之间存在着密切的联系。一方面，已有研究描述了肠道菌群对提高腹足纲动物消化能力以及提供营养的重要性[6]。例如，腹足纲动物肠道微生物具有降解植物细胞壁及细胞储存物的能力[7]。另一方面，肠道微生物群落调控产生的物质可以与宿主的生理机能相互作用，具备促进宿主组织发育[8]、协助宿主降解有毒物质[9]、抑制病原菌感染[10]、提升宿主免疫能力[11]等功能。然而大多研究仅限于对福寿螺肠道微生物群落组成的初步分析，未深入探究肠道微生物在福寿螺生理过程中所起的作用以及福寿螺肠道微生物与福寿螺入侵的关联性。因此，笔者查阅了相关文献，总结了福寿螺不同生长期、不同性别和不同消化道部位的肠道微生物群落特征，分析了福寿螺肠道微生物群落构成与其入侵机制之间的联系，并探讨了可能改变福寿螺肠道菌群结构的相关因素，展望了福寿螺肠道功能微生物与福寿螺生理变化领域的未来研究方向，以期为福寿螺的绿色安全防控提供新方向。
肠道微生物的群落结构及其功能微生物种群通常决定了其对宿主的作用，首先了解福寿螺肠道微生物群落结构有助于揭示福寿螺入侵与肠道微生物之间的关系。
1.1 福寿螺肠道微生物群落结构概况
Chen 等[12]在福寿螺的肠道中共筛出7 个门和11 个属的微生物，在门分类水平上，分别是软壁菌门（Tenericutes）、厚壁菌门（Firmicutes）、变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、蓝菌门（Cyanobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）和拟杆菌门（Bacteroidetes）；
在属的水平上，分别是明串珠菌属（Leuconostoc）、乳球菌属（Lactococcus）、芽孢杆菌属（Bacillus）、肠杆菌属（Enterobacter）、克劳斯氏菌属（Cloacibacterium）、分枝杆菌属（Mycobacterium）、暖绳菌属（Caldilinea）、Litorilinea、根瘤菌目未分类属（unclassified genus from order Rhizobiales）、诺德氏菌属（Nordella）、甲基囊孢菌属（Methylocystis）。福寿螺的肠道核心细菌门占比最多的为软壁菌门，其次分别为厚壁菌门、变形菌门、放线菌门、蓝菌门；
在属的水平上，福寿螺的肠道微生物最丰富的分别是气单胞菌属（Aeromonas）、肠杆菌属（Enterobacter）、脱硫弧菌属（Desulfovibrio）、柠檬酸杆菌属（Citrobacter）、丛毛单胞菌属（Comamonas）、克雷伯氏菌属（Klebsiella）、假单胞菌属（Pseudomonas）等。
1.2 不同生长期、不同性别福寿螺肠道微生物的优势种群
不同生长期福寿螺的肠道微生物群落有着相似的优势种群[12]。在门水平上，幼螺与成螺均以变形菌门、厚壁菌门、软壁菌门以及放线菌门4 类为优势门，其中又以变形菌门相对丰度最高；
在属水平上，幼螺与成螺则均以明串珠菌属、乳球菌属、诺德氏菌属为优势属。但福寿螺幼螺和成螺也有着各自独特的优势种群，相比成螺，幼螺的肠道微生物群落更加富集于柔膜菌纲（Mollicutes）下支原体目（Mycoplasmatales）的支原体科（Mycoplasmataceae）；
在成螺体内独特的肠道微生物优势种群则主要为暖绳菌属、芽孢杆菌属。
研究表明，雌、雄福寿螺胃、肠内的菌系结构大体相同[13]，但肠道微生物群落中的优势种群存在一定差异，雌螺肠道微生物比雄螺更富集于变形菌门和放线菌门，代表性优势种群如α-变形菌纲（Alphaproteobacteria）下的根瘤菌目（Rhizobiales），而雄螺肠道中拟杆菌门下拟杆菌纲（Bacteroidia）微生物的丰度则显著高于雌螺。变形菌门和放线菌门在消化植物成分、为宿主提供能量方面发挥着重要作用，这可能是导致雌性福寿螺拥有较高的生长速率和更大体型的主要原因[14]。
1.3 消化道不同部位的肠道微生物的优势种群
福寿螺消化道不同部位的肠道微生物群落结构存在差异[15]。Li 等[16]对福寿螺消化系统的微生物群落进行了鉴定分析，共发现了29 个门111 属微生物。福寿螺口腔中微生物群落较少，其中特征科为紫单胞菌科（Porphyromonadaceae），特征属为纤毛菌属（Leptotrichia）；
胃中则含有较多的苍白杆菌属（Ochrobactrum）、沉积物杆状菌属（Sediminibacterium）；
肠道样本的细菌多样性最高，优势菌群为苍白杆菌属、沉积物杆状菌属、脱硫弧菌属、气单胞菌科未分类属（unclassified genus in the family Aeromonadaceae）和梭状芽孢杆菌属（Cloacibacterium）。程天印等[13]利用PCR-DGGE 技术分析了福寿螺胃肠道菌群结构，结果表明，胃肠中主要有气单胞菌属（Aeromonassp.）、希瓦氏菌属（Shewanellasp.）、粘质沙雷菌（Serratiamarcescens）、肠杆菌属、芽孢杆菌属。
此外，福寿螺消化道不同部位也有各自的优势微生物种群，这可能是福寿螺生长发育各时期的肠道微生物和消化道不同部位的肠道微生物所承担的功能不同所致。
2.1 肠道微生物的代谢功能增强了福寿螺的生长与增殖能力
与其他螺类相比，福寿螺的生长与繁殖速度更快。研究表明，同一区域内福寿螺每年可传代2～3 次，而圆田螺仅可繁殖1 代；
且3 月龄的福寿螺体重即与一年龄田螺相当。更快的生长速度和更大的个体使得福寿螺挤占了入侵地的大部分生态资源。而福寿螺的生长速度与其强大的消化代谢能力密切相关[17]，这在一定程度上得益于肠道微生物促进代谢的本领。
（1）蛋白质降解。厚壁菌门是福寿螺肠道中含量较丰富的细菌门之一。Tang 等[18]的研究发现，大多数与蛋白质和氨基酸降解相关的菌株都与该门微生物有关，厚壁菌门中的某些细菌甚至在蛋白质和/或氨基酸降解中起着核心作用。此外，在福寿螺的胃和肠道中均有分布的藻青菌（cyanobacterium）也能够参与蛋白质的消化[18]。
（2）纤维素降解。福寿螺食草性极强，能够在生态环境中造成严重影响[19]。这意味着福寿螺具有很强的纤维素降解能力。福寿螺肠胃中纤维素降解酶的活性要高于其他螺类，这是支撑其强消化能力的重要因素之一[20]。而相关研究表明，福寿螺肠道内的细菌群落也可能对纤维素和其他植物组成成分的消化产生极为重要的作用[21]。Rimoldi 等[22]发现，在食用植物饲料的动物消化道内，变形菌门和厚壁菌门的比例往往较高。变形菌门作为福寿螺肠道细菌群落的优势门，也常见于其他腹足纲动物体内，在福寿螺肠道中发现的变形菌门肠杆菌科（Enterobacteriaceae）肠杆菌属已被鉴定为纤维素分解种，被证明与羧甲基纤维素酶（CMCase）活性相关[22]，并且同样是另一种腹足纲入侵动物非洲大蜗牛（Achatina fulica）肠道中的优势种[23]。此外，还有研究者在分子和生化水平上鉴定出一类芽孢杆菌也能够分泌纤维素酶，并帮助福寿螺消化、分解各种纤维素和半纤维素，从植物材料吸收营养物质[24]，这与福寿螺的食草性相一致。
（3）其他营养代谢。明串珠菌属是福寿螺幼螺肠道内优势属之一，研究表明，明串珠菌属作为革兰氏阳性菌，可能在多糖、甘露醇、维生素、细菌素的产生和α-半乳糖苷的水解等方面发挥重要作用[25]。
2.2 肠道微生物的拮抗作用增强了福寿螺的免疫能力
福寿螺作为一种水生外来入侵动物，生存在微生物类群复杂的水环境中，为细菌和寄生虫的侵入提供了机会，但少见福寿螺微生物病害相关的研究，可能与其肠道微生物能够参与福寿螺的免疫过程有关。来源于厚壁菌门链球菌科（Streptococcaceae）的乳球菌属（Lactococcus），是一种在福寿螺和钉螺中含量比较丰富的细菌属[26]。有研究表明，乳球菌对包括假单胞菌、大肠杆菌、黄体微球菌和无乳葡萄球菌在内的10 种病原体具有体外拮抗作用[27]。此外，还有厚壁菌门杆菌科（Bacillaceae）芽孢杆菌属（Bacillus）的某些菌株能够作为动物的益生菌增强家畜和鱼类的生长和免疫状态[28]。芽孢杆菌属和乳球菌属同样是钉螺肠道菌群的优势属[29]。这与Chung 等[30]研究中厚壁菌门能够促进肠道稳态和宿主免疫能力的结论一致。
2.3 肠道微生物增强了福寿螺的生态耐受能力
福寿螺另一个快速适应新环境的机制在于能够抵抗环境中存在的不利因素，例如低温、干旱和环境污染等[31]。而在这个过程中，肠道微生物发挥了重要作用。研究表明，动物肠道细菌群落可能参与了越冬期间与消化和耐寒性相关的多种生理过程[32]。在长期的低代谢状态下，福寿螺会利用尿酸参与类似POS（氧化应激准备）的策略来耐受长期干旱和低温[33]，而Koch 等[34]从福寿螺雌螺的肠道中分离出一种能够决定尿酸酶活性的肠杆菌属微生物，该微生物可参与福寿螺体内结合氮的循环。另有研究表明，福寿螺肠道中的脱硫弧菌属和柠檬酸杆菌属在重金属解毒方面有特殊作用[35]。例如，还原硫的脱硫弧菌会产生硫化氢，能沉淀金属，从而降低溶解金属的毒性。
微生物群落结构与其功能之间有着密切的联系，微生物群落的种群结构组成通常决定了其生态功能，在功能上又表现出与物种生存环境和生活习性相适应的特征[36]。肠道微生物群落作为动物免疫的生理屏障之一，其组成结构只有保持阶段性的稳定且合理，才能为宿主获得有利的生存条件[37]。而环境因素和自身生物特性等会影响肠道微生物的定殖以及随后的构建过程，因此肠道微生物群落因宿主的种类、生境、生长时期的不同而存在显著差异[38]。此外，化学物品、农药、抗生素等污染物也会对肠道微生物造成影响。
3.1 生长期与性别
不同生长期的福寿螺其肠道微生物群落结构组成上表现出了显著差异，一方面体现在肠道微生物种类数量上，Chen 等[12]的研究发现，除去福寿螺核心菌群OTUs 外，幼螺特有的OTUs 数量为158，远少于成螺所拥有的特有OTUs 数量；
另一方面，随着福寿螺个体的不断生长成熟，其摄食率逐渐降低，幼螺往往比成螺表现出更激进的觅食竞争能力[39]，且因消化系统未发育成熟，幼螺更少取食大型植物。因此，相比成螺，幼螺肠道中主要富集明串珠菌属等有较强水解代谢和营养吸收功能的微生物。
不同性别对福寿螺肠道微生物群落结构组成也存在影响。在Chen 等[12]的研究中，雌螺肠道微生物的丰富度和多样性显著高于雄螺，这可能是雌螺在生理状态上表现出比雄螺生长速度更快，体型更大的原因之一。
3.2 食物种类
研究表明，长期取食营养物质含量不同的食物会逐渐改变肠道微生物菌群的组成[40]。在Theenhaus等[41]的研究中，与福寿螺同为腹足纲的海蛞蝓（Arion rufus）食用不同的植物后，排泄物中微生物生物量、活性及养分状况均存在较大差别；
另有研究者发现，在连续6 个月饲喂非洲大蜗牛糖分较高的甘蔗后，蜗牛肠道中代表性微生物种群拟杆菌属减少了50%[42]。此外，不同的饱食状态也会造成肠道菌群组成变化，例如法国大蜗牛在饥饿状态下肠道中的塔特姆菌属（Tatumellasp.）会出现缺失[43]。
3.3 生境因子
生境因子不仅会直接对福寿螺个体和种群造成影响，而且会在一定程度上改变福寿螺肠道微生物群落结构，这些因子包括但不限于福寿螺所在环境中的微生物、温度、pH 值以及一些污染物等。
3.3.1 外界微生物福寿螺取食时所携带的外来环境菌株能够短暂丰富肠道微生物的多样性，可能在腹足纲动物的生理过程中发挥重要作用[44]。
3.3.2 温度 Yang 等[45]的研究发现，支原体作为红皱岩螺（Rapana venosa）消化道中的主要属，能够辅助宿主消化，而其丰度会随温度的变化而发生显著变化，在16、22 和28℃下，OTUs 分别占总序列的79.5%、13.6%和17.6%；
其他微生物在不同温度下的变化也比较显著，例如嗜冷菌属只存在于16℃条件组，而导致珊瑚病的弧菌属（Vibrio）只存在于28℃条件组。Nicolai 等[46]的研究则发现，法国蜗牛（Helix pomatia）的肠道细菌群落随温度表现出一定的季节性，例如越冬时会从肠道末端排出一部分细菌群落。
3.3.3 pH值 pH 值也会影响福寿螺肠道微生物的分布结构，消化道不同部位的酸碱度在一定程度上塑造了肠胃中特殊的微生物群落结构。Charrier 等[47]研究中提到肠道碱度的增加对肠道微生物群落会产生影响，尤其是部分发酵细菌。
3.3.4 重金属污染已有研究发现，重金属镉（Cd）、铬（Cr）、砷（As）、铅（Pb）、铜（Cu）、铅（Pb）等会对水生生物肠道微生物产生影响[48]。例如，Cu 胁迫处理银鲫后，会抑制其肠道中的厚壁菌门微生物生长，而气单胞菌属、弧菌和爱德华氏菌属（Edwardsiella）的数量明显上升，导致银鲫更易发生炎症[49]。用含铅水环境短暂处理成年雄性斑马鱼后，会引起斑马鱼肠道的组织学损伤，弯曲杆菌、变形杆菌减少，厚壁菌门菌增加[50]。当福寿螺生活在受重金污染的水中时，消化道会产生组织病理学变化，但死亡率仍维持在较低水平[51]，表明福寿螺对重金属污染有较强的耐受性，这是否与肠道微生物能够缓解重金属对福寿螺的胁迫有关值得进一步探究。
3.3.5 化学污染消化道作为福寿螺关键的物理和生物屏障，是接触化学污染物的主要部位，而化学污染也会改变肠道微生物群落组成，从而间接影响生物正常生命活动。目前常见的化学污染包括抗生素污染和农药污染等，其中抗生素是一种被广泛应用于畜牧水产养殖的抗菌药物，在杀死病原菌的同时，也会杀死其他细菌，从而破坏肠道菌群稳态[52]。Walker 等[53]将特定的抗生素如氯霉素、氯四环素等加入蛞蝓食物中后，发现蛞蝓体内肠道微生物的含量减少了；
Ansart 等[54]的研究也发现，抗生素能够使大蜗牛（Helix aspersa）肠道细菌的数量减少25%，从而使得细菌冰核活性和大蜗牛的过冷却点降低。而化学农药不仅能够导致极为严重的环境污染，也被证明能够通过改变宿主器官组织结构[55]、干扰内分泌[56]、改变酶活性[57]、影响基因表达[58]、诱导代谢产物变化[59]等机制造成肠道微生物种群结构上的变化。肠道微生物群还被证明与寄主农药抗性有关，是抵抗农药毒性的重要因素[60]。因此，探究福寿螺化学药剂防控与福寿螺肠道微生物之间的相互关系对于开展福寿螺的绿色防控具有重要意义。
笔者就福寿螺的消化系统及肠道微生物群进行综述，概括了福寿螺肠道微生物群落结构组成以及其不同生长时期和消化道部位的肠道微生物优势种群，总结了肠道微生物在福寿螺生长发育中的功能，说明了其在福寿螺生态入侵过程中所起到的作用，最后归纳了影响福寿螺肠道微生物群落结构变化的因素，从一个新的角度上解释福寿螺能够成功入侵的原因，但是关于肠道微生物菌群、福寿螺生理与环境生态三者之间的关系尚存在一些关键性的问题：（1）现有的研究仅从微生物基因组角度对其进行了部分的功能预测，肠道微生物群落结构、优势种群及其代谢产物对福寿螺具体的功能及其作用机理尚不明确；
（2）外界因素能够对福寿螺产生影响，也能造成肠道微生物群落结构的变化，但多数研究仅探讨了表面上的相关性，三者间内在的因果关系缺乏系统深入研究。因此，此后的研究中应对福寿螺肠道微生物及其代谢产物的作用机制开展深入分析，探究福寿螺各项生命活动和肠道菌群功能之间的内在机制。同时，明确环境因子和化学农药等农业生产中常见因素对福寿螺肠道微生物群落结构的影响，以期更好地利用肠道微生物开展福寿螺的绿色高效防控以及专性生物防控。
