文献精读-昆虫寄生菌的主要作用-消化-解毒或提供必要的营养

昆虫寄生菌的主要作用:消化、解毒或提供必要的营养?

Most dominant roles of insect gut bacteria: digestion, detoxification or essential nutrient provision?

译者：文艺

审核：文涛

写在前面：本文联用了扩增子测序和蛋白组组学两项技术，结合基因组数据，揭示了昆虫肠道微生物和本体功能的特征及其重要性。本文创新性集中在区分昆虫本体功能和微生物功能，这一点对于今后通过微生物调控昆虫本体功能具有重要意义。这一点在其他领域，尤其是宿主和微生物互作方面都可以有很好的应用。

摘要

背景

昆虫的肠道微生物群落已被证明有助于宿主的消化、解毒、发育、抵抗病原菌和生理。然而，肠道微生物群落产生的各种作用极其大小尚未得到评估。这些结果大多是通过可培养细菌获得的，而环境细菌和肠道定殖的细菌的生理学可能是不同的。在这项研究中，我们通过调查象鼻虫、杨干象的蜜露，为肠道细菌的作用大小提供了蛋白质组学和基因组学证据。

结果

肠腔和肛门蜜露在定性和定量上显示不同的细菌群落组成。16SrRNA测序结果显示，肠道主要是变形菌门和拟杆菌门，而肛门蜜露主要是变形菌门。通过Q-TOFms，对肛门蜜露鉴定了7大类31小类的酶，通过重建群落反应图通路，确定了象鼻虫与肠道细菌之间的合作关系。肠道细菌的作用大小使用特定的指标表示。蛋白质组学的结果表明，肠道细菌的主导作用主要是氨基酸生物合成，其次是蛋白质消化、能量代谢、维生素生物合成、脂质消化、植物次生代谢产物(PSM)的降解，碳水化合物的消化，而基因组数据结果是氨基酸生物合成，维生素生物合成，脂质消化，能量代谢，蛋白质消化，PSM降解，碳水化合物消化。PCA结果展示了肠道功能菌菌群集合，MFA结果表明肠道细菌之间存在功能变异。此外，我们使用了HMFA方法，基于个体和群落水平，对蛋白组学和基因组学数据进行了变异分析。

结论

肠道细菌最主要的作用是提供必要的营养物质，其次是消化和解毒。象甲在食物消化方面起着初始过程，主要是将大分子食物消化成更小的食物，然后主要被肠道细菌消化。

关键词

杨柳螟虫，肛门分泌物，肠道细菌群落，多因素分析，群落代谢通路图

前言

已有研究证明昆虫肠道微生物群已被证明有助于宿主的消化、解毒、发育、病原体抗性和生理。有些昆虫表现出酶解纤维素、木聚糖、果胶、淀粉、脂类和酯的能力。一种胞外细菌寄居在与前肠相连的特殊器官中，帮助叶甲虫降解果胶。然而，体外实验只能用可培养的细菌进行，而环境和肠道定殖的细菌生理可能不同。

传统饲养和无菌饲养昆虫的比较研究表明，肠道细菌可能对脂肪消化和蛋白质消化(主要是后者)，植物次生化合物的解毒和蛾子挥发性物质的干扰有重要作用，最近的一项研究也表明，肠道细菌在昆虫对杀虫剂的抗性中发挥了重要作用。然而，由于在昆虫的基因组中发现了编码消化和解毒酶的基因，昆虫可以自行消化一些食物并进行解毒。因此，出现了一个问题:肠道微生物是否增强了某种酶的活性或扩大了消化范围(底物光谱)，这在以前的研究中没有得到充分的回答。此外，在这些作用中，对于一个特定的物种，哪一个是最主导的作用还没有报道。在过去的几年里，宏基因组分析一直是广泛用于肠道微生物组的研究。然而，这项技术仍然不能确定到底肠道微生物群的哪一部分具有代谢活性，只给出间接的结果推断从微生物基因组或转录物产物。好的一点是，宏蛋白质组学或群落蛋白基因组学已经出现来填补这一空白。相对于宏基因组学和宏转录组学而言，宏蛋白质组学的主要积极方面依赖于“功能”信息。宏蛋白质组学通过识别哪些蛋白质是检测的，揭示在什么条件哪些群落成员是活跃的，并在肠道中在特定的生态背景下参与特定的生物过程。

蛋白质组测量用到了粪便样本，昆虫受干扰后排出蜜露，或分泌防御性化合物，其化学成分主要是糖类、氨基酸、其他化合物，已有证明蜜露中有多种与肠道稳态相关的蛋白，这些蛋白的来源有饮食、肠道上皮细胞或肠道微生物分泌，脱落的上皮细胞和溶解的微生物。

以蜜露作为研究材料的优势：1、不用提取蛋白质、昆虫内脏或DNA，2、不用牺牲动物，可以设计重复实验。

结果

象甲肠道中的细菌群落

1、我们得到了121218个细菌16s核糖体RNA基因序列，稀释曲线未达到平台期，说明微生物群落测序量不足，由QIME2分析得到了1665个OTU，序列数小于2的OTU去掉，剩下有142个种，137个属，最丰富的20个OTU分别属于13个科5纲4门。

肠腔和蜜露微生物群落不同。肠道菌群以鞘氨醇单胞菌、假单胞菌和布伦纳菌为主，而肛门蜜露菌群以布伦纳菌为主。Jaccard系数为0.1746，表明群落在属水平上存在明显差异，经卡方检验两组间属丰度差异显著。在门水平上，肠道以变形菌门和拟杆菌门为主，少数群体为放线菌门、厚壁菌门、脱铁杆菌和大肠杆菌群，最后两个在肛门蜜露分泌物中没有检测到，与肠腔相比，肛门蜜露以变形菌门为主，少数群体为厚壁菌门、放线菌门、硝化螺旋菌门、拟杆菌门,变形菌门，除厚壁菌门、放线菌门、拟杆菌门、脱铁杆菌门和脱铁杆菌门外，其余均未在肠腔检测到。Jaccard系数为0.4167，表明在门水平差异较大，卡方检验显示两组间的丰度有显著性差异。肠道中物种多样性更高，且物种均匀度更高。

fig1：进化树 根据进化树，在OTU小于2的被排除后，可以看出最丰富的20个OTUs分别属于13科5纲4门

fig2：图中显示了从肠道和肛门滴中鉴定出细菌属。只有前20在RF显示，这里的细菌名字为英文前缀，RF是频率，外圈代表所属科，内圈代表菌属。从图中可以看出肠道以鞘氨单胞菌（Sphingomonas）、假单胞菌（Pseudomonas）和布伦纳氏菌（Brenneria）为主，肛滴以布伦纳菌为主（Brenneria）

fig3：韦恩图，肛门分泌物中酶的韦恩图。a图是消化消化饮食营养素的酶，且显示对于消化酶不同细菌之间的重叠。b降解PSM和外源性物质的酶。c参与氮和硫代谢的酶。必需氨基酸和维生素生物合成的酶。可以看出不同细菌的酶均有不同程度的重叠之处，

蛋白质MS鉴定

使用blastx进行比对，显示有26,685个杨干象非冗余功能基因可以比对到小蠹虫上，总共鉴定了819个来自象鼻虫的蛋白质。根据肠道菌分析结果，选13个假蛋白质组进行细菌蛋白质鉴定得到了210种酶中707种蛋白主要用于膳食纤维的消化、PSM和外生化合物降解、N/S代谢，以及必要的氨基酸和维生素的合成，用其同源基因的UniProtKB标记法对来自象鼻虫的蛋白质进行了标记，每个来源都有不同的酶，在门水平上也进行了总结(图3)细菌间酶重叠百分率为7.69 ~ 76.92%，中位数为15.38%，平均为21.46%。所鉴定的肽序列已提交给PASSEL，标识符为PASS01488。

肛门蜜露中的消化酶

经鉴定得到113种蛋白，属于20种水解碳水化合物的酶，以这些酶为基础建立功能通路，显示了纤维、淀粉、果糖、蔗糖、半纤维素、木聚糖、几丁质等的消化通路。象甲衍生酶只能将纤维素消化成纤维糊精或纤维二糖，海藻糖消化成葡萄糖，果胶消化成果胶酸或二半乳糖酸，几丁质消化成壳二糖或糖醛酸钠，壳二糖或糖醛酸钠可进一步转化为β- d -果糖- 6-磷酸，加入糖酵解/糖异生，而其他反应只能由细菌产生的酶催化。在肛门蜜露中鉴定出属于21种肽酶的44种蛋白质，象甲特异分泌金属肽酶，细菌分泌独特的金属内肽酶和氨基肽酶，二肽酶，三肽酶，肽基肽酶。从肛门蜜露中还鉴定出了消化脂质的酶。结果，鉴定了属于6种酶的23种蛋白质。发现肠道细菌和宿主将三酰基甘油消化成1-酰基甘油或脂肪酸，并消化磷脂。

fig4：KEGG 从肛门分泌物中摄取消化酶 鉴定出的113种蛋白质，属于20种水解碳水化合物的酶。以这些酶为基础，重建群落路径图，显示纤维素、淀粉、海藻糖、蔗糖、果胶、阿拉伯聚糖、半乳糖、木聚糖、甲壳素等的消化路线，并且清楚地看到所参与的细菌和它们提供的酶。图中灰色的酶是在这个版本中不存在的酶。显示了象鼻虫及其肠道细菌是如何进行合作的。我们的研究鉴定了来自细菌的β-木聚糖酶，该酶在目前的KEGG途径KO00520中不存在。

肛门滴酶降解植物次生代谢产物（PSM）和其他外源性物质

在肛滴中共鉴定出56种降解植物次生代谢产物（PSM）和其他外源性物质的酶，共115种蛋白，通过构建群落代谢通路图，在木质素转化为木质素衍生联芳基的反应中，象鼻虫和细菌都有酶的参与。象鼻虫只产生酚氧化酶(漆酶、酪氨酸酶)，而细菌则产生DyPs、MnSODs和过氧化氢酶，木素衍生的联芳基可被细菌衍生的酶降解为丙酮酸或琥珀酰辅酶a，而象鼻虫衍生的联芳基则相反未检测到催化这些反应的酶。

降解其他酚类物质的酶只被鉴定为细菌衍生的酶。这些酶能对羟基苯甲酸酯、苯、苯甲酸酯和甲苯降解为琥珀酰辅酶a或丙酮酸酯;羟基苯甲酸，等一系列反应。

降解非蛋白氨基酸的酶只被鉴定为细菌衍生的酶。这些酶能将-丙氨酸降解为乙酰辅酶a，将牛磺酸降解为l-半胱氨酸，将GABA降解为琥珀酸，我们对参考中列出的酶序列进行了BLASTP，只有细菌MnSODs被鉴定为木质素修饰酶。从肛滴中未发现细菌谷胱甘肽依赖的β-醚酶和木质素分解双加氧酶。

参与氮和硫代谢的酶

共鉴定出94种蛋白属于23种酶参与N/S代谢，这些酶将

graph LR
尿酸盐/NH3-->L-谷氨酸
N2/硝酸盐-->NH3
牛磺酸-->I半胱氨酸
硫酸盐-->硫化物

肛滴酶参与微生物EAA和维生素生物合成

从肛门滴中鉴定出参与EAAs和维生素生物合成的细菌酶。群落路径图表明这些酶都来源于肠道细菌， 这些酶从PRPP合成组氨酸，从丙酮酸合成异亮氨酸，从2-氧异戊酸合成亮氨酸，从天冬氨酸合成赖氨酸，从天冬氨酸合成蛋氨酸，从chorismate合成苯丙氨酸，从天冬氨酸合成苏氨酸，从chorismate合成色氨酸，从丙酮酸合成缬氨酸。

对细菌作用的评估

每种细菌的每种作用的催化反应百分比(图4）根据每个物种的丰度加权，将百分比相加为一个分数，以表明整个肠道细菌群落中每个角色的大小，蛋白质组学评分显示，肠道细菌的主导作用为氨基酸生物合成，其次为蛋白质消化、能量代谢、维生素生物合成、脂质消化、PSM降解和碳水化合物消化，基因组数据排序为氨基酸生物合成、维生素生物合成、脂质消化、能量代谢、蛋白质消化、PSM降解、碳水化合物消化。蛋白质组和基因组数据之间的Spearman相关系数为0.68.

蛋白组和基因组之间使用斯皮尔曼相关做相关关系，使用的应该是mantel检验两个矩阵之间的关系。

采用主成分分析(PCA)研究肠道细菌是否在基础作用水平上形成功能群。蛋白质组数据的PCA结果表明，肠道细菌形成4个功能群:chh; rer and ala;dfe 和 bgjand the others;（图5a）PC1的功能特征为三酰基甘油消化、色氨酸生物合成和四氢叶酸生物合成，而PC2的特点是海藻糖消化(cos2>0.6)。基因组数据显示了四个功能群:asv;Chh、pcm和dfe;pct和bgj，PC1的特征是半纤维素消化、海藻糖消化、赖氨酸生物合成和果胶物质消化，而PC2的特征是三酰甘油消化、硫胺素生物合成和氮代谢(cos2 > 0.6)。

多因素分析(MFA)用于比较细菌种类之间的显著性。基于肛滴的蛋白质组学数据，绘制了部分个体的图表（图6）.从一个群体的角度来看的个体被称为部分个体。图6显示了每种细菌的功能概况，例如，在图6a中，rer和ala具有相似的功能，例如，蛋白质消化能力同样小，维生素生物合成能力同样适中，碳水化合物消化能力同样非常小。肠道细菌形成了功能群，根据每个变量在每个维度的loading，PC1具有AA合成能量代谢和维生素合成的特征，PC2为蛋白质和脂肪消化，PC3为碳水化合物消化和PSM降解，MFA结果也显示了肠道细菌之间的功能差异。

基于蛋白质组学数据结果显示，碳水化合物消化的变异最大，其次依次为，维生素合成、AA合成、PSM降解、蛋白质消化、脂质消化、能量代谢。基因组数据结果的变异顺序依次为PSM、AA、维生素、碳水化合物、脂质的消化，能量代谢、蛋白质消化。基本作用的变化如图7c, d所示。在蛋白质组学数据中，三酰基甘油消化的变化最大，而组氨酸生物合成的变化最小(图7)。在基因组数据中，三酰基甘油酶解的变异仍然最大，而苏氨酸生物合成的变异最小。

为了比较蛋白质组学和基因组数据的结果，采用分层多因子分析，如图8a所示，反对角线将功能组划分为两部分:蛋白质组(上面的三角形)和基因组(下三角形)，这表明除了脂质消化、碳水化合物消化和PSM降解外，蛋白质组和基因组数据之间存在明显的差异。因此,Dim1是特定于基因组的观点，而Dim2是特定于蛋白质组学观点的。如图8b所示，Dim1和Dim2将物种划分为四组。在第一和第三象限的物种重叠较远，表明蛋白质组学和基因组数据之间的更显著的差异，而在第二和第四象限的物种有更紧密的重叠表示，表明蛋白质组学和基因组数据之间的更相近的差异。

fig5：PCA 采用主成分分析(PCA)研究肠道细菌是否在基础作用水平上形成功能群。a图蛋白质组数据的PCA结果表明，肠道细菌形成4个功能群：chh; rer and ala; dfe and bgj; and the others；PC1具有三酰基甘油消化、色氨酸生物合成和四氢叶酸生物合成的特点，而PC2的特点是海藻糖消化 基因组数据显示了四个功能群：asv; chh, pcm, and dfe;pct and bgj; and the others；PC1的特征是半纤维素消化、海藻糖消化、赖氨酸生物合成和果胶物质消化，而PC2的特征是三酰甘油消化、硫胺素生物合成和氮代谢

fig6：MFA图，显示了每个细菌的功能概况 多因素分析(MFA)用于比较细菌种类之间的功能大类。a图基于肛滴的蛋白质组学数据，绘制了部分个体的图表。例如图6a中，rer和ala具有相似的功能，例如，蛋白质消化能力同样小，维生素生物合成能力同样适中，碳水化合物消化能力同样非常小。每个功能组用一个点表示，对于每个细菌物种，一条线将物种因子得分与该物种给定组的部分因子得分连接起来。对于一个给定的个体，点对应于个体的平均值或个体的部分点的重心

fig7：MFA的结果还表明肠道细菌之间的功能差异 蛋白质组学结果显示，碳水化合物消化变化最大，其次是维生素合成、氨基酸合成、PSM降解、蛋白质消化、脂质消化和能量代谢；基因组数据的顺序依次为PSM降解、氨基酸生物合成、维生素生物合成、碳水化合物消化、脂类消化、能量代谢和蛋白质消化 基本作用如图7c,d所示。在蛋白质组学数据中，三酰基甘油消化变化最大，而组氨酸生物合成变化最小(图7)。在基因组数据中，三酰基甘油酶解的变异仍然最大，而苏氨酸生物合成的变异最小

fig：8

HMFA分析蛋白质组和基因组数据。a图蛋白质组学和基因组数据结果之间的功能差异。b图每个细菌物种的蛋白质组学和基因组数据之间的差异

讨论

在许多昆虫中，寄居微生物通常通过促进营养和解毒来促进昆虫的健康。为了了解肠道细菌在体内的功能，我们研究了木蛀虫C.lapathi肛门滴的蛋白质组，以重建这些生物学途径。

肠道和肛滴有不同的微生物

我们描述了幼虫象鼻虫的肠道细菌群落，尽管肠道细菌多样性的比较不是本研究的重点。我们的结果表明，肠道的细菌群落与肛门滴的细菌群落是不同的，肠道的细菌群落比肛门滴的更多样化，因此，我们使用肠道细菌的蛋白质组学数据进行宏蛋白质组学分析。在我们的研究中，肠道细菌群落以变形菌纲为主。虽然在门水平上观察到相似的丰度，但在属水平上的微生物群可能是不同的。很多研究也证实了这一观点。昆虫肠道细菌多样性的差异可能与宿主的环境、生境、饮食、发育阶段和系统发育有关。

蛋白质组学和基因组分析显示了肠道细菌群落的作用排序

使用宏蛋白质组学，我们从肛门滴中识别出象鼻虫和细菌衍生的酶。韦恩图表明象鼻虫和肠道细菌都有独特的酶来消化营养和PSM降解，表明象鼻虫与其肠道细菌之间存在合作相互作用。

细菌通常表现出不完全的代谢途径.我们研究中的调查显示了类似的结果。目前还没有明确的结论，如果一个物种的基因组中对应的KEGG通路不完整，那么该物种就缺乏功能;这可能对单个物种是正确的，但对肠道微生物群落不是。在像厚壁菌门这样的细菌中，降解能力很大程度上局限于细胞表面，并涉及特殊的纤维素降解菌中复杂的纤维素体复合物。相比之下，在像拟杆菌门这样的细菌中，由PULs编码的可溶性多糖的利用需要外膜结合蛋白，降解主要是胞浆周或胞内。很明显，来自不同细菌的胞外酶可以催化类似/相同的步骤在肠道内进行生物降解.由于酶是固定在纤维素体复合体中的，细菌就会流动，底物也会流动。对于那些细胞内反应链，例如，在人体肠道中，有几对生物体，其维生素合成途径模式与其他生物体互补，表明人体肠道细菌积极地相互交换B族维生素.我们假设，即使没有一个生物具有一个完整的酶系统的生物合成途径(即，每个物种只有子途径)，如果所有子路都能组成一个完整的通路，那么群落就可以完成一个完整的通路。换句话说：肠道微生物可能通过消耗其他微生物的废物来共同发挥作用，从而提高微生物群落的生产力，并改变宿主可获得的营养物质，这也表明物种间的相互作用对微生物群的功能至关重要。因此，通过这种方法重建路径/模块是合理的 基于已识别的肠道蛋白质的KEGG被称为群落或元通路/模块，因为一个通路/模块内的反应不一定都发生在一个细胞中。每个物种的作用在整体上是一个子通路，所有的子通路构成一个完整的通路，KEGG通路清楚地显示了每个物种成员的作用。

我们对每个肠道菌群的作用进行排序，计算每个物种的得分，计算出加权和得分，得分越高功能越突出，根据蛋白质组学或基因组数据计算功能评分，两组数据的结果显示了相似的函数顺序，最后得出肠道细菌的最主要功能是提供必要的营养其次是消化和解毒。

群落路径图显示了群落成员对于饮食消化的代谢活性的贡献

我们检测肛滴中有纤维素分解酶和葡萄糖苷酶，且来自象甲的纤维酶比细菌多，说明纤维分解的初始阶段象甲起主导作用，所有降解纤维的酶产生的纤维二塘的β葡萄糖苷酶都来自细菌，此外细菌还提供纤维二糖PTS渗透酶和磷酸纤维二糖酶，将纤维二糖降解，最终能够生成葡萄糖，经鉴定消化直链淀粉或半纤维的酶都是细菌衍生的酶,这些结果与基因组测序研究的结果一致,即细菌菌株具有多个基因,编码与纤维素和半纤维素降解有关的酶。在昆虫粪便中检测到蛋白酶和脂肪酶。昆虫在食物消化方面起初始作用，将大分子变为小分子，然后主要由肠道菌进行后续消化。

木材细胞具有细胞壁，植物细胞壁分解受木质素的保护，昆虫没有木质素酶，胞外分解木质素的酶有：过氧化物酶(LiPs,ligninases)、锰过氧化物酶(MnPs，锰依赖过氧化物酶)，多功能过氧化物酶(VPs)，染料脱色过氧化物酶（DyPs)，以及漆酶(benzenediol:氧气氧化还原酶)，木质素修饰酶有：两类主要的细菌木质素修饰酶是dyp型过氧化物酶和漆酶。此外，其他几种细菌酶，包括谷胱甘肽依赖的β醚酶、MnSODs、katG、LigD、LigF、LigG、LigW/LigW2、LigY, LigX, LigZ，儿茶酚双加氧酶，醌氧化还原酶，乙酰辅酶a乙酰转移酶，烯酰辅酶a水合酶，脱氢酶，细胞色素过氧化物酶。在白蚁中，肠道细菌产生的漆酶已被证明是木质素修饰酶的候选酶。然而，在我们的研究中，肠道酚氧化酶(POs)已经被鉴定出来，其主要功能被证明是苯酚聚合。因此，象甲可以利用其POs降解木质素。此外，还鉴定了非放线菌衍生的DyPs、过氧化氢酶、奎宁氧化还原酶、乙醇酸氧化酶、细胞色素c过氧化物酶和谷胱甘肽过氧化物酶。这些结果表明肠道细菌可能在脱木质素中起主要作用。虽然对于降解木质素真菌的降解作用广为人知，然而，木质素的有效降解对木质纤维素的降解并不是必需的。任何结构上的修改，提高多糖的可及性糖苷水解酶将提高效率的消化。比如昆虫的机械研磨也会增加木质纤维素的消化率，这一点不容忽视。

群落路径图显示了群落成员对于PSM和外源性物质降解的贡献

虽然已知的psm数量很多，但已知的psm降解酶的数量很少。肛滴中检测到的PSM降解酶的数量也很少。然而，我们的结果表明，象鼻虫和肠道细菌提供不同的酶(图3b)。与psm降解酶相比，KEGG注释从肛门滴中鉴定了大量的外生降解酶，表明肠道细菌具有解毒作用在，，所以肠道菌群可能在外源物质降解中发挥重要作用，有研究证明细菌提供降解杀虫剂的物质，基因组分析已鉴定出编码杀虫剂水解的基因，群落路径图中显示对外生菌，每种微生物降解的化合物的范围都很小，我们需要进行杀虫剂处理，以富集有降解效应的细菌。PSM和外源抗生素可能会胁迫肠道微生物，改变菌群，只有这些有抗性的菌群才能存活，图中剩下的微生物只有一小部分了，所以象甲和肠道微生物降解PSM和外源物质是互利的不是共生的。

非蛋白质氨基酸(NPAA),例如γ-氨基丁酸(GABA),牛磺酸和β-丙氨酸含量很高。有研究表明动物的神经系统,它们在调节神经元兴奋性以及行为方面起作用。进食可能会改变昆虫神经系统中的GABA浓度并引起昏厥行为,生长减少和生存率降低。为应对昆虫侵袭,植物中的GABA水平通常会迅速增加，昆虫降解过量的NPAA，肛门液滴,降解β-丙氨酸或GABA的酶，被确定为细菌衍生的酶，因此肠道细菌在昆虫NPAA的体内平衡中起着重要作用。

群落路径图显示了群落成员对于N/S代谢的贡献

昆虫没有N代谢能力，路径图中循环含氮废物和固氮能力都来自细菌，从而促进昆虫N平衡，大多数昆虫不能利用和还原氧化硫化物并吸收，这就取决于饮食和它们内共生体的活动，肠道细菌能将牛磺酸转化为L-半胱氨酸，将硫酸根转化为硫化物，有助于昆虫利用硫化物。

群落路径图显示了群落成员对必需养分供应的代谢活性贡献

已有研究证明肠道微生物为宿主提供维生素和EAA营养物，群落路径图提供了合成维生素和EAA 的途径反应和生物来源，实验显示微生物保留膳食B族维生素和蛋白营养，产生的维生素B2 可以部分预防毒性引起的发育迟缓。有研究证明 D. melanogaster的肠道菌群向其宿主提供硫胺素，使其宿主足以在无硫胺素的生境中发育。还有研究表明，细菌群落能为象甲提供EAA，从而保障营养有限的饮食。现有的一系列数据表明：变形菌在EAA和维生素的生物合成中发挥着主导作用，然而经过抗生素处理过的昆虫死亡率并不高于对照组，说明肠道细菌的作用不过是对宿主生存的补充。

肠道细菌的其他功能：

我们的结果表明，在RF功能方面排名前13位的肠道菌群存在冗余。PCA(图5)和MFA(图6)结果表明，无论蛋白质组学数据还是基因组数据，肠道细菌分别在基础作用水平和超级作用水平上聚集，这与节肢动物的微生物群落是离散群体的结论一致。微生物组性状的变异在很大程度上是由环境因素决定的，本研究中发现的消化纤维素、降解木质素和PSM的的细菌，这也可以认为是环境中选择的结果。具有杀虫剂将降解作用的假单胞菌、鞘氨醇单胞菌和无色杆菌已多次从农田土壤中分离出来，这些细菌在施用杀虫剂后可以很快被昆虫捕获为肠道共生菌。与以往的研究不同，我们利用蛋白质组学数据重建途径或模块，然后计算每个细菌种类在每个途径或模块中所贡献的酶的百分比，这在生物学上比以往的研究方法更有意义。很明显，来自基因组数据的功能群与分类群结合在一起(图5b和6b)，而来自蛋白质组数据的结果并没有很好地结合在一起。

图7中所示的高贡献表明细菌种类之间的高变异，反之亦然。某一作用的变异程度越高，说明每一种细菌在这一作用中所起的作用就越重要。换句话说，一个高的变异表明没有一个细菌种类是多余的某一功能，虽然没有明确的鉴别价值。然而，这一结论依赖于由细菌贡献的酶的低重叠百分比。我们的结果表明，中位酶重叠率为15.8%，这些结果表明，排名前13位的肠道细菌对于本研究中呈现的作用是必要的。虽然我们没有提出任何酶法测试的结果，但以前的研究已经表明，分离物的功能作用属于前13个属。

结论

为了了解肠道细菌在体内如何运作,我们首先研究了肠道细菌菌群。微生物的主要作用就是提供必要营养物质，其次才是消化和解毒，肠道细菌的基因组分析也显示出相似的作用。而且还可能存在一种肠道菌群合作机制，即菌群成员共同完成细胞外或细胞内的群落路径。

附件

PICRUST

是非常流行的基于16sRNA测序宏基因组功能组成的软件，PICRUST用KO来分类功能，而基本角色是在KO数或一系列KO交叉反应下的KEGG模块，我们的目标是对物种中的角色进行排序，不是对特定角色进行量化，那我们首先要对模块进行排序，使每个角色都有相似数量的酶，我们的思想是利用物种丰度和功能基因计数的乘积来衡量细菌群落的功能能力，但这种方法也有不足：如直接用了QIME2结果各物种的丰度，而没有考虑种间16s含量的变化。

由于C. lapathi是一种蛀杨树的象鼻虫，纤维素、半纤维素和木质是其日粮的主要成分。杨木的蛋白质含量低，维生素含量也少，昆虫自身缺乏合成EAA和维生素的代谢途径，但可以消化营养并通过自身酶进行解毒。