对虾体内的微生物菌群及其动态平衡调控

Disease occurrence is closely related with three main elements (environment-pathgens-host) in shrimp aquaculture. Although great progresses achieved in control of shrimp culture environment, studies in shrimp pathogens and shrimp innate immunity, the integrated study of the three elements is seldom in shrimp aquaculture and disease control. The microbiota of shrimp connected the environment and host as a bridge. This project will research the shrimp microbiotas and their homeostasis to promote the integration of three elements. The gut and hemolymph microbiotas and culture environment microbiota are firstly determined by bacterial metagenomic and 16S rDNA sequencing technologies. Subsequently, the changes of shrimp microbiota after infection by pathogens, including bacteria and viruses will be further analyzed to reveal the structure and characterization and relationship of three microbiotas, including gut microbiota, hemolymph micribiota and environment microbiota, and the function of gut and hemolymph microbiotas in shrimp inmmue responses. Then the changes of microbiotas after pathogen infection were analyzed to reveal characteristics of microbiotas in health and disease shrimp, and relationship with environment microbiota and significants in shrimp immunity. On the other side, the homeostatic regulation of shrimp intestine microbiota and hemolymph microbiota are also analyzed: including how to recognize microbes in microbiota of intestine and hemolymph, what kinds of pattern recognition receptors, signal transduction pathways and effector molecules involved in homeostatic regulation and making comparison of homeostatic regulation mechanisms between two microbiotas. Our results will reveal the homeostatic mechanisms of shrimp microbiotas and provide probiotics and new theory and strategy to disease control in shrimp aquaculture.

对虾养殖中的疾病发生与环境-病原-宿主密切相关，过去的研究在三个不同方面都取得很大进展，但缺乏将它们有机联系起来的整合研究。而对虾体内菌群是连接环境与宿主的一个桥梁。本项目通过对对虾体内菌群特征及动态平衡的机理研究将三者整合起来。首先利用细菌宏基因组和16SRNA基因测序的方法确定健康条件下肠道和血淋巴菌群以及养殖环境中菌群的结构特征，再通过模拟致病环境、经口感染细菌或病毒等方法，检测对虾体内菌群的动态变化，揭示健康菌群与致病菌群的特点、与环境菌群的关系以及对宿主免疫防御的生物学意义。另一方面，从宿主免疫的角度研究对虾肠道细胞和血细胞如何识别体内菌群，鉴定参与调控体内菌群动态平衡的模式识别受体、信号转导途径和效应分子，并比较两种调控机理的异同。通过该项目的实施阐明对虾体内菌群动态平衡调控的机理以及在对虾免疫中的意义，确定益生菌群，为对虾健康养殖的微生态制剂开发和疾病控制在理论和实践上提供指导。

本项目围绕着对虾体内菌群动态平衡调控开展研究。首先分析了对虾肠道与血淋巴菌群的组成及其在病原感染过程中的变化，研究结果显示对虾消化道不同部位菌群的结构不同，贲门胃和幽门胃菌群组成相似性较高，小肠菌群的组成与前两者有差异；发现白斑综合征病毒(WSSV)感染减少贲门胃和幽门胃菌群的多样性，而对小肠菌群的影响不大。血淋巴菌群与消化道菌群有一定联系，但数量较少。在参与肠道和血淋巴菌群调控的关键分子与信号途径及其调控机理的研究中，发现多种感知肠道和血淋巴菌群变化的模式识别受体，包括Toll受体、含有卷曲螺旋结构域的C-型凝集素(MjCC-CL)、阳离子依赖的6-磷酸甘露糖受体(CD-MPR)和一种G蛋白偶联受体(MthGPCR)等。发现多种信号途径参与肠道和血淋巴菌群动态平衡的调控，包括Toll信号途径、IMD信号途径、JAK/STAT途径和FOXO信号途径等；发现小GTP酶RhoA参与β-Integrin介导的血细胞吞噬作用，调控血淋巴菌群的平衡；并首次发现一氧化氮合酶介导的NO-ERK-Dorsal轴在对虾肠道菌群稳态调控中的作用。在细菌与病毒感染对肠道和血淋巴菌群的动态变化的影响及其作用机理研究中，发现弧菌感染导致肠道39种代谢物发生变化，阐明了差异代谢物维生素D3具有抗细菌作用；WSSV感染导致肠道78种不同代谢产物发生上调或下调的变化；揭示了WSSV利用多聚免疫球蛋白受体样pIgR分子侵染宿主细胞的新途径；发现Rho GTP酶家族成员Cdc42通过抑制精氨酸激酶活性控制对虾体内WSSV的感染等等。项目执行期间共发表学术论文19篇，其中在病原学Top期刊PLoS Pathogens杂志发表论文4篇，在Frontiers in Immunology 杂志发表5篇，在The Journal of Immunology 杂志发表2篇，The Journal of Virology 杂志发表1篇。主要参加人员在项目执行期间有1人晋升为教授，1人晋升为副教授，博士后出站1人。毕业研究生12人，其中1人次分别获山东大学和山东省优秀博士论文；1人次分别获山东大学和山东省优秀硕士论文；2人次获山东大学研究生优秀学术成果一等奖。该研究在理论上丰富了无脊椎动物的先天免疫理论，在实践上对控制对虾养殖病害及研发新的病害防治药物具有指导作用。