Effects of simulated gut pH environment on bacterial composition and pheromone production of Dendroctonus valens  

模擬腸道pH環境對Dendroctonus valens細菌組成和信息素產生的影響

來源：Insect Science (2023) 0, 1–11, DOI 10.1111/1744-7917.13210

 

摘要核心內容

 

本研究探究了腸道pH環境對紅脂大小蠹（Dendroctonus valens）腸道菌群組成及其關鍵聚集/反聚集信息素verbenone產量的影響：  

核心機制：紅脂大小蠹依賴腸道細菌（如 Enterobacter）將松樹單萜轉化為verbenone，該過程受腸道pH調控。  

 

實驗設計：通過不同pH人工飼料（天然pH 4.7、弱酸性pH 6模擬腸道環境、強酸性pH 4）喂養甲蟲，測量腸道pH、菌群變化及verbenone產量。  

 

關鍵發現：  

 

偏離天然pH（pH 4.7）的飼料（pH 4或6）顯著改變腸道pH，降低優勢菌豐度（如 Enterobacter ↓50%）和verbenone產量（↓70%）。  

 

體外實驗證實：細菌菌株（Enterobacter xiangfangensis）在模擬腸道pH（pH 6）時verbenone轉化率最高。  

 

研究目的

明確飼料pH如何影響紅脂大小蠹腸道pH環境。  

 

解析腸道pH變化對菌群組成（尤其是verbenone生產菌）的影響。  

 

探究pH-菌群互作如何調控信息素verbenone的產量。  

 

驗證pH對細菌信息素轉化能力的直接作用（體外實驗）。  

 

研究思路

實驗分組：  

 

對照組：野外捕獲甲蟲（天然狀態）。  

 

飼料組：三種pH人工飼料（天然松樹韌皮部pH 4.7；pH 6模擬腸道；pH 4強酸）。  

測量指標：  

 

腸道pH：使用Unisense微電極活體測量。  

 

菌群分析：16S rDNA測序（α/β多樣性、菌屬豐度）。  

 

Verbenone產量：GC-MS定量腸道信息素。  

 

體外驗證：分離菌株（E. xiangfangensis, S. liquefaciens）在pH 4 vs. 6下的verbenone轉化能力。  

統計方法：ANOVA分析組間差異，PCoA解析菌群結構。  

 

測量數據、研究意義及來源

腸道pH變化

 

數據來源：圖1  

結果與意義：  

 

天然飼料（pH 4.7）與對照組腸道pH無差異（~5.0）。  

 

pH 6飼料↑腸道pH（中和酸性），pH 4飼料↓腸道pH（增強酸性）（P<0.001）。  

 

意義：首次證實飼料pH直接調控昆蟲腸道pH環境。  

菌群組成變化

 

數據來源：圖4（門水平）、圖5（屬水平）、表2-3  

 

 

 

結果與意義：  

 

優勢菌門：Proteobacteria（天然組74.5%）和Firmicutes（19.2%）占比最高（表2）。  

 

關鍵菌屬：  

 

Enterobacter（天然組61.0%）：pH 4飼料下豐度↓56%（表3）。  

 

Serratia（天然組9.1%）：pH 4飼料下豐度↓81%（表3）。  

 

多樣性：pH 4和6飼料↑菌群α多樣性（Shannon指數↑2倍，表1）。  

 

意義：極端pH（4或6）破壞菌群穩定性，減少verbenone生產菌。  

Verbenone產量下降

 

數據來源：圖6  

 

結果與意義：  

 

pH 4飼料組verbenone濃度↓70%（vs. 天然組，P<0.001）。  

 

pH 6飼料組亦顯著降低（↓50%）。  

 

意義：菌群紊亂直接導致信息素合成能力下降，可能影響甲蟲聚集行為。  

體外細菌驗證

 

數據來源：圖7  

 

 

結果與意義：  

 

E. xiangfangensis在pH 6時verbenone產量比pH 4高3倍（P<0.05）。  

 

意義：直接證明pH通過調控細菌代謝活性影響信息素生產。  

 

丹麥Unisense微電極數據的核心意義

 

使用10μm Unisense pH微電極（REF321） 實現：  

活體原位監測：  

 

首次在甲蟲腸道內實時動態測量pH值（圖1），避免離體操作誤差。  

 

高空間分辨率：  

 

微米級探針精準穿刺腸道組織，揭示pH梯度變化（天然態pH≈5.0→pH 4組↓0.5單位）。  

機制關聯性：  

 

量化飼料pH→腸道pH→菌群失調→verbenone↓的因果鏈，為"pH-菌群-行為"假說提供關鍵證據。  

 

結論

腸道pH穩定性是維持菌群平衡的關鍵：偏離天然pH（4.7）的飼料顯著改變腸道pH和菌群組成。  

 

菌群-信息素關聯：  

 

優勢菌Enterobacter豐度與verbenone產量正相關，pH失衡通過減少該菌降低信息素合成。  

生態學意義：  

 

寄主植物pH差異可能通過改變甲蟲腸道環境，影響其聚集行為與種群擴張。  

技術貢獻：Unisense微電極為昆蟲微環境研究提供高精度工具。