肠道共生菌群在高等白蚁机体免疫中的作用机制研究

Termites, as social insect living in high density groups, are constantly exposed to many pathogens during their whole life cycles and they have evolved various immune strategies to defend against pathogenic infections. Previous studies have shown that gut flora can promote the establishment of the innate immune, the immune response and tolerance. It is well known that termite gut symbiotic bacteria played an important role in its metabolism, however, their role in termite immunity and its mechanism have not been well studied. In this project, we plan to determine the dynamic gut microflora in the termite after Metarhizium robberstii infection using 16S rRNA sequencing and in vitro cultivation. This will help to further identify the gut bacteria that play key roles in termite immunity and elucidate the related mechanisms. Meta-genome sequencing will be applied to analyze metabolic pathways and identify key factors in systemic immune and gut epithelial immune response to Metarhizium infection. Investigation of the correlation between the gut microbiota and termite immune changes after fungal infection will also be performed. This study will contribute to understanding the immune mechanism and the symbiosis mechanism of termites. Furthermore, it will provide theoretical and practical guidance to biological control of termites and the high density massring of Livestock and poultry.

白蚁作为高密度群居的社会性昆虫，在整个生活史中会面临各种病原的侵害，因此进化出了一系列独特的免疫机制。已有研究表明肠道共生菌群可以促进生物体的先天免疫，并建立正常的免疫应答和免疫耐受机制。白蚁肠道共生菌群在物质代谢方面的作用已得到确认，但是其在白蚁免疫中的作用及其机制还未见报道。本研究利用绿僵菌感染白蚁，通过16S rDNA测序和体外独立培养的方法，对其感染前后的肠道菌群结构变化进行分析，鉴定高等白蚁在抵抗绿僵菌感染过程中可能起关键作用的细菌类群，利用宏基因组测序构建感染前后肠道共生菌群的代谢通路，揭示发生显著变化的信号通路和关键免疫因子，以解析肠道共生菌群在高等白蚁免疫中的具体作用及其分子机制。本项目的实施一方面将对白蚁的免疫机制有新的理解，可以从另一角度理解白蚁共生体的共生机理，丰富共生理论，另一方面有望对白蚁的生物防治和高密度的畜禽饲养提供理论和实践指导。

黑翅土白蚁Odontotermes formosanus属于蜚蠊目Blattodea下的白蚁科Termitidae的大白蚁亚科Macrotermitinae。已有研究表明肠道共生菌群可以促进宿主的先天免疫，协同宿主来建立免疫体系以增强在自然界的生存能力。白蚁肠道共生菌群在纤维素降解方面的作用已得到确认，但是其在白蚁免疫中的作用及其机制还未见报道。揭示绿僵菌感染宿主后肠道菌群的变化，可以了解到绿僵菌感染过程中肠道菌群是如何应对绿僵菌感染的不利环境的，更为重要的是，通过对昆虫重要免疫活动的研究，会提供更多靶标基因供生物防治利用。本研究利用罗伯茨绿僵菌感染黑翅土白蚁。在解剖镜、光学显微镜和电子显微镜观察到白蚁肠道内变化的基础上，通过16S rDNA测序和宏基因组测序的方法，对其感染前后的肠道菌群结构变化进行分析，鉴定高等白蚁在抵抗绿僵菌感染过程中可能起关键作用的细菌类群，利用宏基因组测序构建感染前后肠道共生菌群的代谢通路，揭示发生显著变化的信号通路，以解析肠道共生菌群在高等白蚁免疫中的具体作用及其分子机制。基于宏基因组数据组装单菌基因组对未培养细菌的代谢潜能做了探讨，揭示了未知微生物对绿僵菌入侵的潜在措施。本研究一方面将对白蚁的免疫机制有新的理解，可以从另一角度理解白蚁共生体的共生机理，丰富共生理论，另一方面有望对白蚁的生物防治提供理论和实践指导。本研究分别在解剖镜、光学显微镜和电子显微镜下观察绿僵菌入侵后白蚁肠道内情况。首先绿僵菌的感染会导致白蚁的死亡，而且在感染初期绿僵菌进入了肠道内，并抵达了微生物聚集最多的区域——后肠。绿僵菌的入侵导致了肠道微生物的紊乱，体现为肠道微生物密度的增加。但是到感染末期，也就是群体濒临死亡时，肠道上皮屏障却未遭到破坏，这体现了肠道微生物保护肠道组织不受绿僵菌的感染。而后基于16S rDNA测序对其感染前后的肠道菌群结构变化进行分析，共获得1938个OTU（Operational Taxonomic Units）。其中，能够注释到数据库的OTU数量为1865个。主要研究了肠道菌落整体水平的多样性和相对丰度，以及绿僵菌感染期间显著变化的菌门的变化趋势。