基于蜜蜂模式体系对肠道菌群、大脑功能及动物行为互作关系的研究

Recent studies have found that the symbiosis between the host and the gut microbiota is an essential mutualistic association, which have a huge impact on the health of the host. Gut microbiota can help the host in nutritional metabolism, balance the immune system, moreover, it can influence the emotion, brain function, and neuron system. Although the human gut community is majored by limited bacterial phyla, there is a tremendously high strain-level variation, which is important to understand the microbiota function. However, due to the high diversity of the human gut microbiota and the experimental approach in human is limited, the understanding of this symbiosis is scarce. Honey bee as a eusocial insect has been used as a model system to study the behavior and brain function. Recently, researchers found that the honey bee gut possess a simple yet specific gut microbiota, which show similarities to that of human. Thus, the honey bee is a promising model to answer many questions on the host-microbe interactions. In this project, we will use honey bee, Apis mellifera, as a model organism to investigate the impact of different food nutrition on the gut community structure at the strain level and the impact on the host. The proposed project will study the associations of gut microbiota, brain functions, and animal behavior, which will shed lights on the future research on other systems including humans.

近年来研究者们逐渐发现肠道微生物群落与宿主的互利共生是极为重要的共生关系，良好的肠道菌群对于宿主的健康起到至关重要的作用：帮助宿主营养代谢、调节宿主免疫系统，甚至对于情绪、大脑功能及神经调节也有较大影响。虽然人类肠道内仅由少数细菌门组成，但是存在较大的菌株间差异，这对于整个菌群的功能有很大影响。然而，人类肠道物种多样性高以及人体实验的不便，对于肠道菌群具体功能、机理研究还很欠缺。蜜蜂作为社会性昆虫，已作为模式体系广泛用于行为学、脑科学等方面的研究。近年来研究者们发现蜜蜂具有简单、特异的肠道菌群，并且其在功能、结构等方面与人肠道具有诸多共性。因此，蜜蜂是用于研究肠道菌群与宿主共生关系的全新的优良模式体系。本项目将基于蜜蜂体系，在菌株水平研究不同半纤维素对于肠道菌群及动物个体的影响，探究“肠道菌群-脑功能-动物行为”三个层面的关系及互作机理，这将对其他动物“脑肠轴”研究提供理论参考。

良好的肠道菌群对于宿主的健康起到至关重要的作用，帮助宿主营养代谢、调节宿主免疫系统，调节情绪、大脑功能等。本项目基于蜜蜂具有简单、特异的肠道菌群，并与人类肠道在功能和结构方面具有共性这一优势，围绕不同多糖组分对蜜蜂肠道菌群和代谢和蜜蜂肠道菌群对其记忆行为及大脑功能的影响，探究“肠道菌群-脑功能-动物行为”三个层面的关系及互作机理。主要取得以下研究结果：（1）建立蜜蜂肠道纯菌培养库，完成了纯菌的基因组测序工作，共获得了117个纯菌基因组，涵盖了所有核心菌种的代表菌株。（2）通过对蜜蜂和熊蜂的231株肠道细菌基因组及蜜蜂肠道宏基因组进行测序分析，发现双歧杆菌和Gilliamella是半纤维素和果胶的主要降解者。在双歧杆菌和Gilliamella基因组中，与多糖消化相关基因的分布存在显著的菌株水平多样性，其相同菌种、不同菌株对多糖代谢能力存在较大差异。在双歧杆菌中，编码碳水化合物代谢酶的基因在基因组上聚合形成多糖利用位点，这一现象与人类肠道的拟杆菌极为相似。（3）通过测定定植不同肠道菌的蜜蜂大脑神经递质水平，发现主要下调起抑制食欲学习以及降低蔗糖敏感度作用的 5-羟色胺和多巴胺的水平。（4）通过测定蜜蜂肠道及血淋巴的代谢组情况，明确不同的蜜蜂肠道核心菌株可以调节血淋巴中不同类别的代谢物，Gilliamella主要参与碳水化合物和甘油磷脂代谢，而乳杆菌Firm-4和Firm-5主要调节了氨基酸相关代谢途径。（5）利用无菌蜂单菌定植和基因沉默技术，明确了乳杆菌Firm-5通过将色氨酸转化为吲哚衍生物并激活宿主芳香烃受体，从而改善了蜜蜂的嗅觉记忆行为。研究结果首次利用蜜蜂模式体系，研究“肠道菌群-基因、激素水平-动物行为”三者间的相互关系，为人类及其他动物体系的“脑肠轴”研究提供理论基础。