食木昆虫中的共生固氮与氮循环：来自Apriona swainsoni幼虫肠道微生物群的启示

《Pest Management Science》：Symbiotic nitrogen fixation and recycling in xylophagous insects: insights from gut microbiota of Apriona swainsoni larvae

灰斑天牛幼虫通过后肠菌群介导的氮素固定（nifU基因富集）和氨转氨基（GS/GOGAT途径）克服木质素饮食的氮限制，代谢产物空间分布梯度显著。

　　

摘要

背景

作为氮限制生物，食木昆虫由于木质纤维素底物中氮含量本身较低，面临严重的营养限制——这不足以支持其生长。为了缓解这一限制，它们依赖于肠道微生物群介导的固氮作用和氮废物循环利用。Apriona swainsoni（一种典型的蛀木天牛）就是这种适应性的例子：在其以木质部为食的情况下，氮资源极为匮乏。虽然假设肠道共生菌能够克服氮限制，但其具体机制仍不清楚。

结果

首先，宏基因组测序和功能基因分析显示后肠（PHG）中氮酶和尿素酶基因富集。代谢组学检测到了氮酶基因nifU，但未检测到尿素酶蛋白，从而确定氮固定是A. swainsoni幼虫缓解氮限制的主要策略。随后，体内/体外的¹⁵N同位素追踪显示后肠中的¹⁵N含量最高（比自然环境高105.02%），并且培养的Klebsiella oxytoca中的¹⁵N吸收量是对照组的约25倍。靶向氨基酸分析进一步证明，无论是必需氨基酸还是非必需氨基酸都富含¹⁵N，并且存在空间梯度（肠道组织 > 肠外组织 > 粪便）——表明微生物能够高效地将氮转化为宿主可利用的氨基酸。重要的是，我们发现肠道微生物群主要通过后肠中的谷氨酰胺合成酶-谷氨酸合成酶（GS/GOGAT）途径将氨转化为氨基酸。这是首次在天牛中报道的GS/GOGAT介导的固氮途径。

结论

我们对肠道微生物氮代谢的全面分析可能揭示了一些食木昆虫如何在氮缺乏的生态位中通过进化优化的宿主-微生物代谢相互作用来克服营养限制的机制。? 2025 化学工业协会。

利益冲突

作者声明，本研究是在没有任何可能被视为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。