科研 | AEM：后肠微生物群反映了粪甲虫的不同消化策略

编译：微科盟R.A，编辑：微科盟木木夕、江舜尧。

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导读

肠道微生物在昆虫的生物学和进化中起着重要作用。澳大利亚本土的甲虫（Scarabaeinae，金龟子亚科）因为来自两个不同的系统发育谱系，每个谱系中的某些物种其次适应了替代饮食或更广泛的饮食，因此为进化关系上研究肠道菌群提供了机会。在这项研究中，作者用16S rRNA序列分析了在两个谱系的21个甲虫物种的后肠细菌群落，发现相对于特定的饮食偏好或环境，其肠道微生物多样性更多的是取决于宿主的系统发育和肠道形态。尤其是，本土的，不能飞行的Cephalodesmius属的肠道微生物多样性最高，该属以各种各样的堆肥有机物为食。Cephalodesmius甲虫的后肠存在高度保守的核心细菌群，这表明该细菌是共生的。共生通过分离的甲虫种群之间以及属中物种之间的核心微生物群的持久性得到支持。后肠的膨胀形成发酵室和核心微生物的发酵特性支持了共进化关系。相比之下，广泛分布的澳大利亚甲壳虫Onthophagus属的食物类型单一，例如：仅食用粪便或真菌，表现出较为简单的食物加工行为，而且其后肠短而狭窄，具有较为多样的微生物菌群，但是其核心菌群相对单一。对于这种高度活动的Onthophagus属而言，保守的、复杂的肠道菌群被认为是不必要的。本研究中，针对不同的饮食适应性的Onthophagus和Cephalodesmius属以及其他七个澳大利亚特有的甲壳虫属（AuEG）的21个粪便甲虫物种中的后肠微生物菌群进行了研究。由于前肠后部为微生物提供了最合适的栖息地，并且通常具有最大的微生物种群，因此我们专注于前肠后部的微生物群落。利用单一食物资源的粪甲虫具有简单的核心肠道微生物群落，但是在追求更大范围食物资源的粪甲虫物种中，发现了越来越复杂的微生物群落。Cephalodesmius属的肠道菌群截然不同，研究者发现了一个持久，独特和多样的肠菌群落。

论文ID

原名：Hindgut Microbiota Reflects Different Digestive Strategies in Dung Beetles (Coleoptera:Scarabaeidae: Scarabaeinae)

译名：后肠微生物群反映了粪甲虫的不同消化策略

期刊：Applied and Environmental Microbiology

IF：4.016

发表时间：2021.2.12

通讯作者：David J. Merritt

通讯作者单位：澳大利亚布里斯班昆士兰大学生物科学学院

实验设计

1 甲虫的收集：澳洲昆士兰东南部和西澳大利亚收集了9个属，21个物种（7 个Onthophagus；3个Cephalodesmius；11个别的AuEG）的81个昆虫样本。

2 DNA提取、测序与分类学研究：对昆虫肠道微生物提取的DNA进行16s rRNA基因V6-V8区域扩增子测序，用QIIME 2进行对应测序数据的处理和分析。

3 定义和分析核心微生物群：由于无法可靠地鉴定出低于科水平的许多细菌序列，因此选择研究核心科，因为该分类学水平将获得最详细的信息，但仍是可靠的。确定核心科是指在给定属中（除Onthophagus和Cephalodesmius）100％的个体中存在的科。由于这两个属的样本量较大，因此我们将核心科定义为除一个以外的所有个体中的核心科（Cephalodesmius 32个中31个，Onthophagus中12个中的11个中存在）。通过将核心科数除以科总数，可以计算出组成核心分类单元的比例。

结果

1 粪甲虫前肠中细菌的多样性

我们确定了来自AuEG的七个物种的18个个体，三个Cephalodesmius 属的32个个体以及来自AuEG的七个属（11个物种）的30个个体的后肠中的微生物群组成（表1;参见表S1中的补充材料）。尽管Cephalodesmius是AuEG的一部分，但由于甲虫的异常进食和筑巢行为而将其单独考虑。

表1 粪甲虫肠道菌群研究的物种列单

按物种的字母顺序列出物种，其已知饮食信息以及它们是否会飞。饮食信息来自马修斯（Matthews）和Ebert等人，以及来自G. B. Monteith的未发布数据。根据Geoff Monteith（昆士兰博物馆）和Tom Weir（澳大利亚国家昆虫收藏）为澳大利亚博物馆收藏而设计的术语编码系统，记录了未描述的物种。

使用三个指数比较了九个甲虫属中每个后肠细菌的多样性：（i）Shannon多样性指数H，用于衡量物种丰度（不同分类单元的数量）和均匀度（丰度的相似性）；（ii）信仰的系统发育多样性（PD），其中包含系统发育关系以提供对生物多样性的进化度量；（iii）均匀度（pielou_e），用于衡量肠道菌群内不同分类单元（不同序列）的丰度相似度（表2）。在所有三个指标中，Cephalodesmius属肠道菌群的多样性指标最高，有600多种不同的细菌类群。相反，每个其他属的肠道菌群中细菌总数不到200个。使用所有指标的多样性最低的指标是在食虫的成员中发现的，食蟹的肠道内细菌分类单元少于100个。Kruskal-Wallis检验结果表明，不同属之间的Shannon多样性和Faith PD值存在显著差异（图1）（Shannon H= 65.4，P<0.0001；Faith PD H = 65.9，P<0.0001）。均匀度在0.5到0.8范围内，Onthophagus的平均均匀度值为0.59±0.11：对于Cephalodesmius来说，平均均匀度值为0.8±0，对于剩余的AuEG均匀度为0.71±0.08（表2）。较高的均匀度（0到1之间的值）表示细菌群落分布更均匀；较低的均匀度值（如在食肉动物中观察到的）表明某些细菌类群更占优势。

图1 九个甲虫属中肠道微生物群落多样性的比较。箱形图显示了通过（A）Faith的系统发育多样性（PD）和（B）Shannon多样性指数衡量的多样性。Kruskal-Wallis检验表明，在两种多样性度量中，属之间的均值存在显著差异（Shannon H = 65.4，P <0.0001；Faith PD H= 65.9，P <0.0001）。Cephalodesmius显示出最高的肠道菌群多样性，而Onthophagus显示出最低的群落多样性。

表2 21种澳大利亚本土虫物种中后肠细菌群落的多样性

n代表样品数。每个物种中发现的序列总数后跟每个个体的序列中位数。分类单元的数量代表在每种甲虫物种中发现的不同细菌分类单元（OTU）。较大的多样性值表示对丰度和均匀度（Shannon多样性[H]）或系统发育性丰度（Faith PD）的衡量更大。Kruskal-Wallis检验表明，在两种多样性度量中，属之间的均值存在显著差异（Shannon H = 65.4，P <0.0001；Faith's PD H = 65.9，P <0.0001）。Cephalodesmius 显示出最高的肠道菌群多样性，而Onthophagus显示出最低的群落多样性。较高的均匀度值（0到1之间的值）表示细菌群落分布更均匀；较低的均匀度值表示某些物种更具优势。

使用未加权和加权UniFrac多样性度量了对甲虫样品中的肠道细菌群落进行比较：未加权分析考虑了特定细菌序列（OTU）的存在与否及其与其他细菌序列的系统发育关系，而加权分析会将细菌序列（OTU）的数量添加到分析中。基于未加权和加权UniFrac距离（分别为图2A和B）的主坐标分析（PCoA）用于可视化甲虫属之间细菌群落组成的比较。三种Cephalodesmius属的所有个体的细菌群落形成了一个独特的簇，表明它们具有与所有其他属不同的相似的肠道菌群（图2）。相比之下，食管肠道菌群并未紧密聚集在一起，这表明该属内的个体之间几乎没有共生类群（图2）。来自AuEG的四个属的肠道菌群组成与食肉动物重叠，表明它们之间有一些共有的类群。AuEG的两个属（Mentophilus和Tesserodon）最接近Cephalodesmius属，表明相似的肠道组成与AuEG和Onthophagus嗜热杆菌的其余部分不同。在未加权的分析中，其中一个AuEG（Lepanus）呈松散聚集，并与一些AuEG重叠，但不与食肉动物重叠（图2A）。总体而言，大多数的AuEG的肠道菌群组成似乎与食道动物相比，除了Mentophilus和Tesserodon，比Cephalodesmius属更具有共性。

为了将成对相互作用的类型与入侵的可能性联系起来，我们比较了R. solanacearum在入侵便利型和拮抗型两个土著物种种群中的存活率。与阳性对照组（图2a-f中红色虚线）相比，在体外和体内测试均存在土著物种的情况下，病原菌密度显著降低。病原菌受抑制的强度可以通过土著物种之间的成对相互作用类型来预测：体外（F_1，43 = 16.02， P < 0.001，图2a; R²=0.49， P < 0.0001，图2b）和体内（F_1，43 = 24.40， P < 0.001，图2c; R²=0.26， P = 0.0021，图2d）测试中，便利型的病原体密度明显比拮抗型更高。与之一致的是，便利型青枯病的发病率也高于拮抗型土著菌群（F_1，43 = 9.03， P = 0.004，图2e; R² = 0.14， P = 0.013，图2f）。从机制上讲，这可以解释为病原菌抑制作用的丧失，如便利性的菌群密度和直接入侵抑制效果之间的负相关（R²=0.45，P<0.0001，图S6）。综上所述，相互拮抗的两种土著群体不仅对自身具有更强的抑制作用，而且对入侵者也具有更强的抑制作用。

 

图2 体外和体内测试成对土著菌群相互作用的类型预测入侵存活率

2 粪甲虫属之间肠道细菌群落组成的比较

三种主要细菌门是：变形菌门，厚壁菌门和拟杆菌门，它们在其他昆虫和动物的消化道中通常以不同的比例存在，并且在本研究中的所有九种甲虫属中也都存在（图3；补充材料中图S12）。在细菌类别的分类学水平上，虫组之间的差异变得更加明显（图3）。Onthophagus肠道菌群以Proteobacteria门中的Γ-变形杆菌为主。我们发现，Onthophagus肠道中也存在γ-变形杆菌，但大部分菌群是属于厚壁菌门的芽孢杆菌和Erysipelotrichia（图3；图S12）。相比之下，Cephalodesmius属肠道菌群则以三种大致相同的比例：梭菌纲 (属厚壁菌门)，拟杆菌纲 (拟杆菌门)，和变形菌纲(属变形菌门)（图3；图S12））。其余的AuEG具有不同的肠道菌群组成。在AuEG中见到的某些肠道菌群（如Labroma和Diorygopyx）由γ-变形杆菌占主导地位，如Mentophilus和Tesserodon，但在其他AuEG（如Mentophilus和Tesserodon）与Cephalodesmius 属（图3）肠道菌群都共有δ-Proteobacteria，Clostridia和Bacteroidia。使用每个样品中肠道类群的热图对肠道菌群进行的进一步的比较，结果显示与其他属不同的是Cephalodesmius属，Mentophilus和Tesserodon 的肠道菌群之间存在明确的联系（图4）。而仅有少量粪甲虫肠道样品中存在古细菌的痕迹（图3）。

图3 粪甲虫肠道样品中细菌和古细菌的相对丰度。细菌的类别以门的颜色着色，因此绿色的阴影代表拟杆菌门，黄橙色为变形杆菌，蓝色的阴影为厚壁菌门。每个条形代表不同的甲虫样品。甲虫属Cephalodesmius成员在左侧（Ca，Cephalodesmius armiger；Cl，C.laticollis；Cq，C.quadridens）。其他澳大利亚特有属分为西澳大利亚州的（WA）（M，Mentophilus; T，Tesserodon; Lab，Labroma）和东南昆士兰州的（SEQ）（Lep，Lepanus; Amph，Amphistomus; Dem，Demarziella; Dior， Diorygopyx）。右图显示了Onthophagus肠道菌群. DF表示食粪Onthophagus组，MF表示食蘑菇Onthophagus组（Oa，O. arrilla; Oc，Onthophagus CQ2; Op，O. pugnax; Of，O. fuliginosus; Og，O. granulatus; Od， O. dunningi；Ok，O.kumbaingeri）。

图4 热图显示了每个宿主甲虫样品中肠道细菌群落的组成。每行代表一个不同的甲虫样品。每一行的甲虫属在右侧用颜色表示。每列显示分类类别级别上细菌的存在和丰度。热图颜色表示将丰度标准化为对数刻度。

2 在科水平上比较肠道微生物核心菌群

由于细菌占粪甲虫饮食的很大一部分，重要的是要区分与甲虫分类群稳定相关的细菌，而不是暂时的且可能在环境获取的细菌。为此，我们确定了每个甲虫属的核心细菌科（即该属中超过92％的个体中发现的科）。对核心细菌科的关注使我们能够以最低的可靠分类学水平对不同甲虫属的肠道菌群进行广义上的比较。来自Cephalodesmius属三种物种的32个个体具有一致的10个细菌科核心菌群，而这些核心科与它们的地理位置无关（图5；A组；参见补充材料中的图S3）。这10个核心科平均占所有个体肠道细菌总数的84％。这些科中有很大一部分来自厌氧菌和拟杆菌科的厌氧发酵菌，包括瘤胃菌科和毛螺菌科科，它们已被报道会降解复杂的植物类食物；以及在白蚁和蟑螂以及有助于蛋白质的消化的Ricenellaceae科。15％的肠道细菌是来自脱硫弧菌科的厌氧硫酸盐还原细菌，该科也存在于白蚁，蟑螂和以腐殖质为食的金龟子幼虫的消化道中。Cephalodesmius肠道中有5％来自Planctomycetes，而Planctomycetes是种有害物种，但一种食用腐烂叶片的有害物种以外的在甲虫中未被报道过。古细菌在某些样品中少量存在，但似乎不是后肠动物的一致组成部分。

图5 在九个甲虫属的后肠中发现的核心细菌科的比较。颜色代表每个属中存在的细菌科的不同相对比例。组A包含AuEG：Cephalodesmius，Mentophilus和Tesserodon属。B组包含剩余的AuEG。C组包含两个食肉动物组：食粪（DF）和食蘑菇（MF）。

在Onthophagus中，肠道菌群的组成差异很大。在五种以粪便为食的食虫甲虫的12种个体中，只有三个细菌科被确定为核心：肠杆菌科和假单胞菌科（γ变形杆菌）和Comamondaceae（β变形杆菌）占肠道细菌总数的55％（图5；C组；参见图S10）。两种食用蘑菇的甲虫的六种个体的肠道菌群组成包含五个核心科，其中包括存在于粪食性甲虫中的Enterobacteriaceae科和Comamonadaceae这两个科。此外，来自厚壁菌门的两个科，肠球菌科和Erysipelotrichaceae科是食蘑菇性甲虫的核心肠道菌群的主要组成部分。（图5；C组；参见补充材料中的图S11）。Onthophagus和Cephalodesmius的核心菌群中只有一个较小的核心细菌科（Comamonadaceae）（图5）。

其余地方性属（endemic genera）的核心肠道菌群具有与Onthophagus或者Cephalodesmius具体共同的科（图5；B组；参见补充材料中的图S2至S9）。Mentophilus和Tesserodon的核心菌群与Cephalodesmius的相似，而其余五个特有属，特别是食用蘑菇的Onthophagus，与Onthophagus有更多的相似的科，（图5）。对从地理区域来源的Cephalodesmius属肠道菌群的进一步分析表明，即使在OTU的水平上，至少有80％这三个物种的样品中存在一些丰度高的分类单元（表3），其中最值得注意的是减少硫酸盐的厌氧脱硫弧菌（DeltaProteobacteria）和发酵性厌氧梭菌潜在新物种“ Candidatus Soleaferrea”（瘤胃菌科的）和Tyzzerella（毛螺菌科的）。对Onthophagus的样品进行的类似分析显示，在食粪性甲虫中，超过30％的样品中没有一个高丰度的OTU（表4）。然而，来自两种食蟹类Onthophagus的肠道菌群共有来自厚壁菌门的Erysipelotrichaceae的OTU（表4）。

表3 在粪甲虫Cephalodesmiusa物种的后肠中发现的前五种丰度最高的OUT

Cephalodesmius共有3种（n = 32只甲虫）。OTU确定到可用的最低分类学单位。Reads为989，105，OTU总数为1，157。

表4 在粪甲虫Onthophagus属后肠中发现的丰富前五的OUT

在以粪便为食的食虫甲虫（n = 13）中，没有超过9个样品共有的大量OTU：大多数OTU发生在30％的样品中。共有118，046个reads和230个OTU。在食用蘑菇的甲虫（n = 6）中，在所有六个样品中发现了五个最丰富的OTU。有89，892次reads和128个OTU。OTU确定到可用的最低分类学单位。

3 后肠形态学比较

如果肠道的特征与微生物群的独特功能相关，那么在微生物群落中观察到的差异可能与肠道结构的差异相吻合。在这项研究中，在21个虫物种中观察到了两个主型和两个中间型后肠形态（图6；图S2至S11），这些差异确实与微生物群的组成相吻合。第一个是Onthophagus属的特征，它由一个短的后肠组成，从幽门（中肠和后肠之间的瓣膜）开始，呈简单的U形弯曲，前部区域没有扩张（图6A和B）。第二型是Cephalodesmius 属的特征。在第二型中，后肠延长约2倍，形成两个环，紧接在幽门后，后肠的前部区域扩张（图6E）。中间型表现出加长但前区没有扩张（图6F）或前肠扩张，但没有变长（图6C和D）。后肠形态的差异与肠道菌群的差异相吻合。甲虫前肢扩张的甲虫属（Cephalodesmius， Mentophilus和Tesserodon）具有截然不同的微生物群，其主要是由DeltaProteobacteria和Planctomycetes组成，而后肠肠型为短而则未扩张的甲虫中由γ-丙酸杆菌为主。

图6 在六个代表性的成年甲虫物种中看到的原位粗后肠形态的背面视图。（A）Onthophagus pugnax，后肠很短，只有一个U形弯曲，并且没有扩大的前后肠（AHG）。（B）两栖动物NSW1也具有单个U形弯曲和狭窄的后肠区。（C）Mentophilushollandiae在幽门后有一个短而扩张的区，随后有一个轻微的顺时针方向的环，然后又逆时针方向环化。（D）Tesserodon pilicrepus还显示前肠的短而扩张的区。（E）Cephalodesmius 四倍体。前后肠从幽门扩张，然后沿顺时针方向循环，然后收缩并逆转成逆时针环，后者再次扩张并终止于直肠。（F）Lepanus NSW2后肠显示前后肠先顺时针成环，然后逆时针成环，前后肠无扩张。幽门是着后肠的开端的标记。

讨论

由于它们的系统发育多样性和不同的取食策略，饮食多样化和精心加工的食物加工行为以及独特的后肠形态，澳大利亚粪甲虫为探索肠道微生物群的适应潜力提供了机会。这些因素中的每一个都有可能显著影响肠道微生物群落，进而受到常驻肠道微生物的影响，从而提供了识别潜在关联的机会。微生物群是否有助于宿主的进化的重要标志是微生物群的组成是否遵循宿主的进化轨迹。从我们的结果可以清楚地看出，AuEG的三个属的微生物群，尤其是Cephalodesmius属，与系统发育上不同的澳大利亚Onthophagus种的微生物群不同，而AuEG的其余成员则表现出一些共性。AuEG内微生物群的差异可能与它们的系统发生关系有关。Tarasov和Genier提出，澳大利亚特有属应分为两个不同的进化枝。Cephalodesmius属和Mentophilus被认为与其他几个AuEG位于单独的进化枝中，这表明微生物群差异的系统发育成分。

一个重要的提示是，不同类群之间微生物群的明显差异可能仅与采样的位置有关。对于Onthophagus，情况似乎是这样，因为即使在同一物种的甲虫之间，微生物肠道菌群的组成也是相当可变的。在其他地方，Onthophagus肠道菌群在环境中的获取也有被其他研究者观察到，Onthophagus肠道菌群在环境中的获取可能有助于其适应性。食虫是一种世界性的属（cosmopolitan genus），很容易散布到新的环境中。已有研究者提出，不依赖肠道共生体的动物可能更有能力转向新的栖息地或食物资源。Onthophagus物种的世界性分布为它们的适应性提供了证据。在某些生境中，一些食虫已从共食转变为腐肉，真菌或水果的饮食这一事实也证明了这一点。

然而，Cephalodesmius属中的情况却大不相同。Cephalodesmius属物种不存在多样的肠道微生物，而是具有共有一个由10个核心细菌科组成的保守的肠道菌群，而Onthophagus只有两个。即使在OTU级别，在所有三个Cephalodesmius 属物种中也保留了几种细菌类群。Cephalodesmius属的核心微生物群的保护尤为显著，因为在孤立的残余雨林片区中，各个孤立种群的肠道菌群组成得到了保护。尽管Cephalodesmius 甲虫不能飞行，但核心微生物群在整个地理区域都稳定，这一事实表明，核心微生物群已长期保持稳定。昆虫宿主与其微生物群之间缔合的这种稳定性表明处于稳定选择状态的互惠关系。

一个明显的可能性是微生物可能与饮食有关。从表面上看，食物的选择和微生物群似乎是相关的，因为Mentophilus和Cephalodesmius属具有最极端的饮食偏好，并且微生物群也最不相同，而其余的AuEG具有中等的食物偏好和微生物群。但是，我们发现，特定的食物偏好性没有反映在肠道微生物群落的整体组成或特定的肠道微生物分类群中。几乎所有被采样的甲虫都被粪便吸引，但有些被多种非粪便食物吸引。那些主要以粪便为食的物种没有共享一致的肠道菌群。同样，尽管有一些常见的分类单元，但饮食范围更广，变化多样的虫也不具有一致的肠道菌群。例如，Lepanus和Cephalodesmius物种都在各种不同类型的诱饵中被收集，但是两个属具有不同的肠道菌群。这表明除饮食外，其他因素也会影响肠道菌群的组成。

还有另一种引人入胜的可能性：饮食与粪甲虫的肠道菌群之间确实存在关系，但它与食物的加工方式和育雏方式有关。食虫甲虫是机会性昆虫，可以定位和利用短暂的新鲜粪便资源。它们在粪便源下挖洞，雌性在那里存放粪便，产卵，然后转移到其他新鲜的粪便资源中，从而产生大量后代，但很少进行对子代的照料。相反，Cephalodesmius 甲虫是不能飞行的，栖息在残留的雨林中。由于其孤立、活动受限，Cephalodesmius 属的成员依赖可靠的当地食物资源，然而，可能需要进行加工以提高营养价值。Cephalodesmius物种的食品加工活动涉及一对成对的雄性和雌性，将粪便，腐肉，真菌，树叶，水果或花朵聚集在一起，成一个永久的巢穴，然后将其加工成一个称为堆肥的巢群材料。成虫的粪便添加至该材料中，实质上是用后肠微生物菌群接种子代。父母双方在整个后代的整个过程中都在巢群，以提供持续的营养。对其他AuEG的筑巢行为知之甚少，但是，与头足类的高繁殖力相比，它们与头足类的繁殖力低，并且将食物资源转移到远离源头的新位置。

这项研究表明，与其他同食性粪便甲虫相比，Cephalodesmius 甲虫的肠道菌群与有害甲虫的肠道菌群有更多的共性。在对昆虫肠道菌群的荟萃分析中，群落组成中最基础的菌群组成中最基础的分裂是将所有其他饮食行会中的木屑和木屑（死木饲料）分开。有害甲虫的肠道菌群是独特的，其中梭状芽孢杆菌，双歧杆菌和变形杆菌占据高丰度，这在Cephalodesmius中的菌群组成类似。这些菌种在无害昆虫肠道群落中仅构成较小的组成部分。更高级别的白蚁构成了许多有害的饮食行为。然而，在其他有害生物，例如腐殖土为食的圣甲虫幼体和腐殖性幼虫中也发现了向相同肠道菌群结构的趋同。随后，对许多杂食性昆虫的肠道菌群研究发现，该类型（包括直翅目和蟑螂）昆虫的菌群具有不同程度的融合。

Cephalodesmius和其他食碎屑动物肠道结构共有特正是后肠扩张，这似乎对肠道菌群的组成和功能有重大影响。从未在Onthophagus中观察到类似的肠道改变，这为以下观点提供了支持：结构变化可能与进化时间和地理距离上独特的Cephalodesmius属微生物群的保留紧密相关。有趣的是，AuEG的另外两个属的成员Mentophilus和Tesserodon具有与Cephalodesmius 属非常相似的微生物群，并且具有一定程度的后肠扩张。Cephalodesmius, Mentophilus,Tesserodon属三个甲虫属中的杂菌型微生物群落，多样且稳定的核心菌群以及相应的肠道扩张，支持以下假设，即扩大后的前肠起发酵室的作用，可容纳共生细菌以协助消化。独特的消化系统可能为肠道中环境细菌的建立提供了必要的微生境，因此使Cephalodesmius属能够开发新的生态位行为。

所有Cephalodesmius属样品中最常见的OTU是脱硫弧菌科。在Melolontha larvae的幼虫后肠中也发现脱硫弧菌丰度高。在Melolontha幼虫中，脱硫弧菌科菌种专门定居于后肠壁，而许多其他肠道细菌仅限于肠腔，这表明硫酸盐还原脱硫弧菌科菌种适以定居于该微生境。似乎可以合理地选择在环境中获得的脱硫弧菌并使其适应成年甲虫成虫的这种特殊肠道微生境，而这与有关蟑螂肠道微生物的研究报道的一样。

为什么Cephalodesmius，Mentophilus和Tesserodon甲虫共享一个核心菌群，而该菌群更像像蟑螂这样的有害动物，而不是像Onthophagus这样的纯粪便饲养者？菌群相似性似乎不是以栖息地为基础的，因为尽管Cephalodesmius 甲虫生活在澳大利亚东部的雨林地区，但在西澳大利亚干燥的中部沿海地区的干旱，空旷地区却发现了Mentophilus和Tesserodon甲虫。Mentophilus和Tesserodon甲虫的唯一行为观察结果表明，它们将旧的干燥粪便颗粒埋在水分线以下的地下深处，在那里水分可能会使粪便颗粒中的细菌和真菌活性恢复活力，从而提供了微生物食物来源甲虫或它们的幼虫。消化曾经干燥的粪便颗粒可能需要食木屑甲虫更典型的核心肠道菌群，而Cephalodesmius 甲虫食用堆肥有机物也同样需要核心菌群的协助。还应注意的是，经常在蘑菇下发现Mentophilus甲虫以死的甲虫幼虫为食。有必要仔细探索Mentophilus和Tesserodon甲虫的行为，以确定它们的饮食中是否包含其他碎屑成分，甚至可能包括其食物是否有生长真菌。在来自Cephalodesmius 属的甲虫中，我们怀疑与碎屑相关的微生物群与这样一个事实有关，即它们消耗的育苗球材料是由堆肥的植物和有机物制成，随着时间的流逝而进食并添加的。这可以通过其肠道菌群中大量的植物降解细菌来证明。同样，当堆肥是食物的来源时，成年粪便饲养者用来从新鲜粪便中获取营养的下颌骨过滤效果可能不那么有效，从而导致了对腐殖菌型细菌群落和肠道发酵室的需求。需要牢记的一点是，饮食以及成年肠道的肠道菌群也可能与幼虫营养有关。幼虫依赖于育雏球中的营养物质，因此，成年甲虫可能会携带微生物菌群，其实质作用是促进幼虫营养，正如与Euoniticellus幼虫相关的研究报道的一样。

那么问题来了：如果甲虫的祖先是食腐性，那么Cephalodesmius的饮食和肠道菌群是否是祖先的一样？Monteith和Storey认为，在Cephalodesmius 甲虫中发现的高级食品加工和复杂的亚社会行为是高度专一化的，而不是跟祖先相同的。为了了解这些肠道微生物群落的进化，除了更原始的甲壳虫亲属（Geotrupidae科中）外，检查与Cephalodesmius属成员密切相关的其他甲虫中的肠道菌群也是有用的。从两个不同的AuEG进化枝中检查其他粪便甲虫的肠道菌群可能会为说明肠道菌群组成的系统发育关联提供进一步的证据。

结论

 

总的来说，这项研究发现粪甲虫肠道菌群出奇的多样，这可能有助于适应性和进化，从而扩展到新的栖息地或新的行为中。这在食虫和头足纲动物之间的二分法中最明显。我们的发现表明，Cephalodesmius属成员及其高度保守的肠道菌群之间的稳定进化协同关心可能有助于开发丰富但质量低劣的非粪便食物资源。跨越进化时间和地理隔离的高度保守的微生物群表明了相互进化的，互惠互利的联系。Cephalodesmius 甲虫肠道的独特形态可以提供一个发酵室，该发酵室有利于微生物群的功能或确保基本微生物得以保留。微生物群似乎已帮助Cephalodesmius属的成员适应了粪便较少的生态位，从而导致了替代食品资源加工所需行为的共同进化。处理收集到的食物所需的时间和精力需要不断地提供育雏，从而导致双亲照顾的延长。显然，多种因素会影响肠道菌群的组成，进一步检查肠道菌群将增加对肠道菌群进化影响的总体了解。

 

评论

肠道微生物在昆虫的生物学和进化中起着重要作用。本研究探索了在Onthophagus和Cephalodesmius属以及其他七个澳大利亚特有属（AuEG）的21种澳大利亚粪便甲虫物种中发现了不同的后肠微生物群，显示出不同的饮食适应性。由于肠道的这一区域为微生物提供了最合适的栖息地，并且通常具有最大的微生物种群，因此作者专注于前肠后部的微生物群落。利用单一食物资源的粪甲虫具有简单的核心肠道微生物群落，但是在追求更大范围食物资源的粪甲虫物种中，作者发现了越来越复杂的微生物群落。Cephalodesmius属的肠道菌群截然不同，作者在这里发现和报道了一个持久、独特和多样的肠菌群落。

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