日本弓背蚁-蚜虫消化道微生物区系及内共生菌相关性研究

许多蚁科昆虫嗜食半翅目昆虫蜜露，并与之形成密切互惠共栖关系；其中，弓背蚁属消化道内共生菌Blochmannia spp.更与半翅目蚜虫等的次生内共生菌系统关系密切，且具有相似的氮源获取方式，即通过体内微生物合成和补充含氮物质。本项目旨在深入研究日本弓背蚁颊下囊和消化道（超微）结构的基础上，进一步通过微生物传统分离培养方法和 16S rRNA基因序列分析技术，重点研究日本弓背蚁（颊下囊、消化道）-蜜露-蚜虫（消化道）中微生物的组成和分布特点，廓清日本弓背蚁颊下囊和消化道中微生物区系，明确相关的内共生菌及其在不同蚂蚁群体及品级的分布规律；并通过比较与该种蚂蚁密切相关的蚜虫及其蜜露中的微生物组成，分析三者间的微生物区系相关性，尤其是相关内共生菌间的系统关系及其在不同物种间的可能传播方式，进一步揭示"蚂蚁-半翅目昆虫-寄主植物-相关微生物"之间的协同进化关系及其对相关生态系统物质和能量循环的影响。

本项目综合运用形态学、分子生物学、行为生态学等研究方法，对日本弓背蚁Camponotus japonocus消化道结构、细菌的多样性及觅食行为生态学特性等进行了研究，并对与之关系密切的柏大蚜Cinara tujafilina蜜露中的细菌组成及多样性进行了检测分析。关于日本弓背蚁消化道的细菌多样性研究结果表明，其消化道各部位细菌种类丰富，主要以内共生菌Blochmannia为优势菌群，且首次在其消化道发现了蚜虫的次级内共生菌“Candidatus Serretia symbiotica”；不同栖境工蚁的消化道各部位（嗉囊、中肠和后肠）细菌组成差异明显，这与寄主蚂蚁的栖境及消化道不同部位的功能分化密切相关；不同发育阶段、不同品级的个体消化道优势菌群差异明显，表明相关微生物可能对寄主蚂蚁的生长发育及品级分化具重要影响作用。相关的行为生态学研究结果表明，日本弓背蚁与柏大蚜具有密切的互惠共生关系（前者可“照顾”并保护后者，而后者则可通过排泄蜜露饲喂前者）；柏大蚜蜜露中蚜虫次级内共生菌“Candidatus Serretia symbiotica”的首次发现，为进一步明晰日本弓背蚁与柏大蚜体内的相关内共生菌传播途径提供了新的信息、证据。关于日本弓背蚁颊下囊的超微结构研究结果表明，其颊下囊具有明显的固体食物过滤作用，可以有效滤除食物中的固体成分、而仅使液体食物进入嗉囊并被中、后肠消化和吸收；关于颊下囊内含物中的微生物种类组成研究结果表明，其中的微生物主要为放线菌，这与常见环境中的微生物组成差异显著，该结果为进一步开展蚂蚁消化道的特殊食物过滤及营养吸收机制研究提供新的线索和重要信息。本项目所取得的研究结果对蚂蚁、相关蚜虫（半翅目昆虫）及微生物之间的协同进化研究提供了新证据，并为进一步深入开展蚂蚁的觅食行为生态学、生理学研究具有重要意义。