基于宏基因组学的黑水虻肠道微生物组功能特征鉴定及其与幼虫性能的关联研究

本研究针对黑水虻（Hermetia illucens）肠道微生物组功能认知不足的问题，通过全基因组鸟枪法测序技术，揭示了不同饲料条件下微生物组的功能特征变化。研究发现饲料营养组成显著改变幼虫肠道细菌组成，并鉴定出与幼虫生长性能正相关的微生物代谢功能（如山梨醇代谢、钴胺素合成）和潜在抗菌活性基因簇。该研究为通过微生物组调控提升黑水虻生物转化效率提供了重要理论依据，对有机废弃物资源化利用具有重要意义。

　　

在当今追求可持续发展的背景下，昆虫生物转化技术因其能够将有机废弃物转化为高价值昆虫蛋白而备受关注。其中，黑水虻（Hermetia illucens）幼虫表现出了卓越的有机废弃物转化能力，成为农业和环境保护领域的研究热点。然而，尽管研究表明黑水虻肠道微生物组在其适应多样化营养环境中扮演着重要角色，但大多数研究仍局限于16S rRNA测序技术，这种技术只能提供有限的分类学信息，无法深入揭示微生物组的功能特征和代谢潜力。

为了解决这一知识空白，Udema等研究人员在《BMC Microbiology》上发表了最新研究成果。他们采用全基因组鸟枪法（Whole Genome Shotgun, WGS）测序技术，对饲喂两种不同饲料（鸡饲料CF和人工超市食物垃圾SFW）的黑水虻幼虫肠道微生物组进行了深入的宏基因组学分析，旨在揭示与幼虫性能相关的微生物功能特征。

研究人员主要通过全基因组鸟枪法测序和宏基因组组装技术，结合生物信息学分析（包括 taxonomic and functional profiling、KEGG pathway analysis、metagenome assembled genomes (MAGs) reconstruction 和 biosynthetic gene cluster (BGC) analysis），对来自两个独立试验的幼虫肠道样本进行了全面分析。样本来源为实验室饲养的黑水虻幼虫肠道组织。

结果

饲料成分分析揭示营养差异

化学分析显示，CF饲料含有更高浓度的多种氨基酸，特别是缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸。而SFW饲料则富含果糖、葡萄糖和麦芽糖，特别是山梨醇浓度是CF饲料的四倍以上。这种营养组成的差异为解释后续微生物组功能差异提供了基础。

饲料类型显著影响幼虫生长性能

生长试验结果表明，CF饲料饲养的幼虫最终体重显著高于SFW饲料饲养的幼虫（p<0.0001）。同时，第二次试验中的幼虫在两种饲料条件下都表现出比第一次试验更高的体重，表明除饲料外还有其他因素影响幼虫生长。

饲料驱动微生物组分类组成变化

基于16S rRNA基因序列和ORF序列的分析均表明，饲料类型显著影响幼虫肠道微生物组成。CF饲料饲养的幼虫微生物组中以放线菌门（Actinomycetota）为主，而SFW饲料饲养的幼虫则表现出假单胞菌门（Pseudomonadota）和厚壁菌门（Bacillota）的富集。

宏基因组功能分析揭示代谢功能差异

KEGG功能分析发现，与氨基酸代谢、碳水化合物代谢和能量代谢相关的功能在两种饲料条件下存在显著差异。SFW饲料饲养的幼虫中，与山梨醇代谢、核黄素代谢和钴胺素（维生素B₁₂）合成相关的功能显著富集。

试验间差异揭示钴胺素合成与幼虫性能关联

比较两次试验发现，第二次试验中SFW饲料饲养的幼虫表现出更多与钴胺素合成相关的KEGG功能富集，这可能是该组幼虫表现更好生长性能的原因，表明微生物衍生的钴胺素可能补偿了饲料中的营养不足。

宏基因组组装基因组鉴定关键微生物

研究成功组装了25个高质量宏基因组组装基因组（MAGs），包括一个潜在新的Scrofimicrobium物种。其中4个MAGs（如Scrofimicrobium sp.）与幼虫体重呈正相关，而8个MAGs（如Providencia stuartii）与幼虫体重呈负相关。

生物合成基因簇分析揭示抗菌和保护功能

研究鉴定出39个生物合成基因簇（BGCs），分为16个基因簇家族（GCFs）。这些BGCs编码多种抗菌化合物（如细菌素、ε-聚赖氨酸）和保护性分子（如铁载体、鞘氨醇），表明微生物组内存在复杂的竞争和自我保护机制。

讨论与结论

本研究通过先进的宏基因组学方法，深入揭示了黑水虻肠道微生物组的功能特征及其与幼虫性能的关系。研究发现饲料营养成分和微生物负荷的变化会导致幼虫肠道菌群失调，引起微生物组结构和功能的显著变化。

研究结果表明，黑水虻肠道微生物组编码了多种重要的代谢功能，包括山梨醇代谢、核黄素代谢和钴胺素合成等，这些功能可能帮助幼虫更好地利用饲料中的营养成分。特别是钴胺素合成功能的发现具有重要意义，因为昆虫自身无法合成B族维生素，微生物提供的这些维生素可能补偿饲料中的营养不足，从而支持幼虫生长和发育。

此外，研究鉴定的生物合成基因簇揭示了微生物组内复杂的相互作用，包括抗菌竞争和保护机制。这些功能不仅影响微生物群落的结构，也可能间接影响宿主的健康和生产性能。

通过宏基因组组装，研究还发现了一些与幼虫性能正相关的微生物物种，如Scrofimicrobium sp.，以及一些可能对幼虫生长产生负面影响的物种，如Providencia stuartii和P. rettgeri。这些发现为通过微生物组调控提高黑水虻性能提供了潜在靶点。

该研究的创新之处在于突破了传统16S rRNA测序的局限性，提供了黑水虻肠道微生物组的高分辨率功能图谱。研究结果不仅增进了对黑水虻-微生物互作机制的理解，也为优化黑水虻饲养策略、提高有机废弃物转化效率提供了重要科学依据。未来研究需要进一步验证这些微生物功能在实际应用中的效果，特别是评估其在真实世界有机废弃物转化过程中的稳定性和有效性。