研究簡介:研究了模擬腸道pH環(huán)境對紅脂大小蠹腸道細(xì)菌組成和信息素產(chǎn)生的影響。紅脂大小蠹是一種重要的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)害蟲，其寄主定殖行為依賴于信息素介導(dǎo)的通訊。研究表明，紅脂大小蠹的腸道微生物能夠?qū)⑺蓸鋯屋葡╊愇镔|(zhì)轉(zhuǎn)化為信息素產(chǎn)物，但目前尚不清楚腸道微環(huán)境（如pH）的變化如何影響腸道微生物組成和信息素的產(chǎn)生。研究人員將野生捕獲的紅脂大小蠹分為四組，分別喂食四種不同pH的飲食：對照組（自然狀態(tài)，未經(jīng)過任何飲食處理）、主食（P.tabuliformis）自然pH 4.7的飲食、pH 4的高酸性飲食和pH 6的弱酸性飲食（模擬甲蟲腸道pH）。通過16S rDNA宏基因組測序分析腸道細(xì)菌群落，并使用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）技術(shù)測定甲蟲腸道中佛手酮的含量。

此外研究人員還選擇了兩種主要的腸道細(xì)菌腸桿菌屬香坊種和粘質(zhì)沙雷氏菌），在不同pH環(huán)境下（pH 6和pH 4）測試其佛手酮轉(zhuǎn)化能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，飲食pH的變化顯著影響了紅脂大小蠹的腸道pH值、腸道細(xì)菌組成和verbenone的產(chǎn)生。P4飲食組的腸道pH值蕞低，而P6飲食組的腸道pH值蕞高。在細(xì)菌多樣性方面，P4和P6飲食組的細(xì)菌豐富度顯著高于對照組和PT飲食組。腸道細(xì)菌組成分析表明，變形菌門和厚壁菌門是主要的細(xì)菌門，其中變形菌門在P4飲食組中的相對豐度顯著降低。在屬水平上，腸桿菌屬、乳球菌和粘質(zhì)沙雷氏菌是主要的細(xì)菌屬，腸桿菌屬在P4飲食組中的相對豐度蕞低，而乳球菌在P6飲食組中的相對豐度顯著降低。

佛手酮的產(chǎn)生在對照組和PT飲食組中蕞高，而在P4飲食組中顯著降低。兩種細(xì)菌分離物在pH 6環(huán)境下的佛手酮轉(zhuǎn)化能力高于pH 4環(huán)境，尤其是腸桿菌屬香坊種。本研究揭示了飲食引起的腸道pH變化對紅脂大小蠹腸道細(xì)菌組成和信息素產(chǎn)生的顯著影響，強(qiáng)調(diào)了維持穩(wěn)定的腸道pH對于昆蟲行為和生態(tài)適應(yīng)的重要性。這些發(fā)現(xiàn)為理解入侵性森林害蟲的生態(tài)適應(yīng)機(jī)制提供了新的視角，并為開發(fā)新的害蟲管理策略提供了理論依據(jù)。

Unisense PH 微電極的應(yīng)用

Uniensese PH 微電極被用于精確測量紅脂大小蠹（Dendroctonus valens）腸道內(nèi)的pH值。在無菌條件下解剖紅脂大小蠹的腸道，將解剖后的腸道放置在一層瓊脂糖上，然后迅速用另一層薄瓊脂糖覆蓋，以穩(wěn)定腸道結(jié)構(gòu)。使用穩(wěn)定的支撐裝置（LS18）和微電極推進(jìn)器（MM-33）手動控制pH微電極在腸道內(nèi)的位置。測量后，用無菌水清洗電極尖頭，以避免交叉污染。UNISENSE PH 微電極的高精度和微小尺寸使其能夠準(zhǔn)確測量紅脂大小蠹腸道內(nèi)的pH值,通過精確測量腸道pH值，能夠確定不同飲食處理（如pH 4、pH 6和自然pH 4.7）對紅脂大小蠹腸道酸堿度的具體影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，飲食pH的變化顯著影響了紅脂大小蠹的腸道pH值、腸道細(xì)菌組成和verbenone的產(chǎn)生。P4飲食組的腸道pH值蕞低，而P6飲食組的腸道pH值蕞高。在細(xì)菌多樣性方面，P4和P6飲食組的細(xì)菌豐富度顯著高于對照組和PT飲食組。腸道細(xì)菌組成分析表明，變形菌門和厚壁菌門是主要的細(xì)菌門，其中變形菌門在P4飲食組中的相對豐度顯著降低。在屬水平上，腸桿菌屬、乳球菌和粘質(zhì)沙雷氏菌是主要的細(xì)菌屬，腸桿菌屬在P4飲食組中的相對豐度蕞低，而乳球菌在P6飲食組中的相對豐度顯著降低。佛手酮的產(chǎn)生在對照組和PT飲食組中蕞高，而在P4飲食組中顯著降低。兩種細(xì)菌分離物在pH 6環(huán)境下的佛手酮轉(zhuǎn)化能力高于pH 4環(huán)境，尤其是腸桿菌屬香坊種。

圖1、紅脂大小蠹在不同pH飲食處理后的腸道pH（PC=對照組，自然狀態(tài)；PT=油松韌皮飲食；P4=pH 4飲食；P6=pH 6飲食）

圖2、Illumina Novaseq測序平臺（雙端）基于24個腸道樣本的稀釋曲線。橫坐標(biāo)表示隨機(jī)選擇的測序樣本數(shù)量。縱坐標(biāo)顯示基于測序讀數(shù)的操作分類單元（OTUs）的數(shù)量。曲線代表個別樣本，顏色代表不同的pH飲食處理。

圖3、紅脂大小蠹腸道微生物組在不同pH飲食處理后基于Bray-Curtis相似性度量的主坐標(biāo)分析（PCoA）。每個飲食處理以不同的顏色呈現(xiàn)，每個點(diǎn)代表一個個體樣本。樣本組之間距離越近，表示細(xì)菌組成相似度越高。字母組合表示不同的pH飲食處理組：PC=對照組，自然狀態(tài)；PT=油松韌皮飲食；P4=pH 4飲食；P6=pH 6飲食。

圖4、紅脂大小蠹在不同pH飲食處理后的腸道細(xì)菌組成在門水平上。每種處理中每個細(xì)菌門的相對豐度用不同顏色表示。字母組合表示不同的pH飲食處理組：PC=對照組，自然狀態(tài)；PT=油松韌皮飲食；P4=pH 4飲食；P6=pH 6飲食。

圖5、不同飲食處理后紅脂大小蠹腸道中萜烯酮的濃度。不同字母的柱子在P<0.05水平上顯著不同。字母組合表示不同的飲食處理組：PC=對照組；PT=油松韌皮飲食；P4=pH 4飲食；P6=pH 6飲食。

結(jié)論與展望

樹皮甲蟲是一群在經(jīng)濟(jì)和生態(tài)上都很重要的昆蟲，具有聚集行為，其寄主入侵成功取決于信息素介導(dǎo)的通信。對于一些物種，中國主要的入侵性森林害蟲-紅脂大小蠹，腸道微生物群通過將單萜烯轉(zhuǎn)化為信息素產(chǎn)物參與信息素的產(chǎn)生。然而腸道微環(huán)境變異如pH值，對腸道微生物組成以及因此信息素產(chǎn)生的影響尚不清楚。在本研究中，研究人員用3種不同pH值的培養(yǎng)基（主要寄主飲食的天然pH值為4.7；pH值為6的微酸性飲食，模擬甲蟲腸道pH值；pH值為4的高酸性飲食），喂養(yǎng)野外捕捉的D.valens，并測量它們對腸道pH值、細(xì)菌群落和主要聚集和抗聚集信息素（萜烯酮）產(chǎn)生的影響。進(jìn)一步測試了2種腸道細(xì)菌分離物在不同pH環(huán)境（pH 6和4）中的萜烯酮產(chǎn)生能力。

unisense  PH 微電極在研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，通過精確測量紅脂大小蠹腸道內(nèi)的pH值，為研究飲食pH變化對腸道微生物組成和信息素產(chǎn)生的影響提供了重要數(shù)據(jù)支持。該設(shè)備的高精度和微小尺寸使其能夠適應(yīng)復(fù)雜的生物實(shí)驗(yàn)環(huán)境，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和重復(fù)性。與自然狀態(tài)或主要寄主飲食相比，以較低酸性的飲食（pH 6）喂養(yǎng)使腸道的酸度降低，而以高酸性飲食（pH 4）喂養(yǎng)則增強(qiáng)了酸度。腸道pH的這兩種變化降低了優(yōu)勢細(xì)菌屬的豐度，導(dǎo)致萜烯酮的產(chǎn)生減少。類似地，細(xì)菌分離物的萜烯酮轉(zhuǎn)化率在模擬甲蟲腸道的酸性環(huán)境中高?？偟膩碚f，這些結(jié)果表明腸道pH的變化可能影響腸道微生物組成和信息素的產(chǎn)生，因此可能影響寄主的定殖行為。本研究揭示了飲食引起的腸道pH變化對紅脂大小蠹腸道細(xì)菌組成和信息素產(chǎn)生的顯著影響，強(qiáng)調(diào)了維持穩(wěn)定的腸道pH對于昆蟲行為和生態(tài)適應(yīng)的重要性。這些發(fā)現(xiàn)為理解入侵性森林害蟲的生態(tài)適應(yīng)機(jī)制提供了新的視角，并為開發(fā)新的害蟲管理策略提供了理論依據(jù)。