本文转载菲沙基因，已获授权

蜜蜂的社会性

蜜蜂是社会性昆虫，过着群体生活。蜂群是由3种（蜂王、雄蜂、工蜂）形态和职能不同的蜜蜂组成的一个有机体，是蜜蜂赖以生存的生物单位。群体中只有一只蜂后（Queen），1~15万只工蜂（Worker），500~1500只雄蜂(Drone)。其中蜂王为雌蜂，个体较大，专营产卵生殖；雄性比雌性小，专司交配，交配后即死亡；工蜂个体较小，是生殖器发育不全的雌蜂，专司筑巢、采食、哺育幼虫、清理巢室和调节巢湿等。

在很多自然存在的微生物群落中，基因组的多样性及分布尚未被探索到，2019年1月25日在Nature Communications在线发表了一篇利用宏基因组测序研究蜜蜂肠道微生物群落结构的文章，深度剖析了蜜蜂种群微生物结构多样性，并建立了蜜蜂肠道细菌分离株高质量草图和完整基因组的参考数据库。

实验设计与方法

本研究探讨了三个层次的多样性：

① 种群类型，即16S rRNA基因（为16S rRNA扩增子测序研究）；

② SDPs（序列离散群体），即系统型内包含的不同亚系；

③ 菌株，即在SDPs内发生的任何基因组多样性，其相似度约为97%。用彩色条形图展示了一个假想的可能在蜜蜂中分布的例子（图1a）。

取样样本：对不同年龄、不同群体的蜜蜂在出现后10天（Young）、22/24天（Middle）和48/158（Old）天取样，每个时间点，每个蜂群取6只蜜蜂。

测序策略：Illumina HiSeq 2500

参考数据库

无论处于哪个年龄段，绝大多数的样本中，90%的reads被映射到参考基因组数据库，说明此数据库包涵了大部分的蜜蜂肠道微生物菌群组成。

图1

蜜蜂肠道微生物群核心基因组系统发育及SDP验证

基于基因组系统发育关系和ANI在参考数据库中确定了5个候选的SDPs系统类型。研究发现在5个候选SDPs的系统类型中，有4个的最高和第2高的SDP在序列相似性分布上有明显的分离(图2)。只有B. api的序列相似性分布是重叠的(图2f)。而对于真正的SDP，相对于任何其他SDP，与宏基因组核心基因同源谱具有更高的相似性。这说明，当前数据库没有完全体现宏基因组样本的多样性。

在蜜蜂肠道菌群的5个核心系统类型中，共鉴定和验证了11个SDPs。这意味着蜜蜂肠道微生物群的大多数核心系统类型已经进一步分化为基因一致的单元，这些单元可以通过宏基因组测序检测到。

图2

蜜蜂肠道微生物的稳定性随年龄发生变化

研究发现蜜蜂肠道微生物群落由高度稳定的系统型组成，这与之前16S rRNA分析一致。在94%以上的样品中检测到这5个核心系统类型，其中数量最多的是Firm5(图3a)。与之前大多数基于16S rRNA的研究相比，此研究发现双歧杆菌系统型是第二丰富的，此差异可能是由已知的16S rRNA引物偏差导致，非核心种Frischella perrara、B. apis和Commensalibacter等的检测频率在0.37 ~ 0.68之间，差异较大，与之前的研究结果基本一致。

图3

老龄蜜蜂更频繁的被非核心成员定植，而且在微生物种群的组成中表现出更高的变异性。beta多样性的分散在不同年龄组之间存在显著差异，在老龄蜜蜂中的差异最大(图4b)，所有核心种系类型的平均种群复制(PTR)随着年龄的增长而下降(图4c, d)，这可能使该群落更容易受到非核心成员的入侵。这些结果表明随着年龄的增长，肠道微生物群的稳定性会下降。

图4

来自同一个蜂群的蜜蜂是否有相似的菌株?

不同的SDPs之间的应变水平差异很大，不同的菌株可以分离自不同的蜜蜂中(图5a)，这表明个体蜜蜂携带不同的菌株。例如，gilli1有三种样式(图5a)，与核心系统发育相关，与SDP中不同菌株之间的竞争排斥一致。相比之下，这些图谱既与取样时间无关，也与群体无关，测序基因组的地理来源似乎也无关紧要。

观察到的大量可变位点，但在单个蜜蜂中发现的相对较低的变异水平，那么需要多少只蜜蜂才能达到整个研究中发现的多样性水平？通过计算多样性的累积曲线发现，无论给定的SDP的总多样性如何，曲线开始趋于平稳之前，大约需要20只蜜蜂(图5c)。此外，对于每一个SDP，不同的采样顺序产生了高度相似的曲线，这表明个体蜜蜂包含相似水平的菌株多样性。

蜜蜂肠道菌群的SDPs具有非常高的菌株多样性，竞争排斥发生在单个蜜蜂的水平上，而不是在群体内，从而导致了个性化的肠道菌群分布。不管与SDP相关的总多样性是多少，个体蜜蜂似乎携带了总应变水平多样性的类似部分。

图5

蜜蜂个体间微生物群的功能变异

在数据库中很多variome基因家族包含来自多个SDP的成员，只有一小部分基因家族关联的丰度与单个SDP的宏基因组样本相关(图6)，这表明大部分的variome并不代表SDP-specific核心基因。与碳水化合物和氨基酸代谢和转移相关的功能(COGs ' G '和' E ')在变异组中普遍存在(图6b)。在核心系统型Bifido、Firm4、Firm5和Gilliamella中，发现了用于利用膳食聚糖的转运体和水解酶。

在5个核心系统类型中，有3个核心系统类型的变异组分布随着年龄的增长而变化，尽管相同年龄的蜜蜂之间的菌株组成存在差异，这表明不同菌株之间存在功能冗余。然而，成对的蜜蜂很少共享>70%的变异组，这表明在蜜蜂个体水平上，菌株在不同蜜蜂之间的分离导致了功能不同的细菌群落。

图6

结论

① 大多数蜜蜂肠道微生物的系统类型已经分裂成SDPs，即在大多数情况下共存于单个蜜蜂体内的离散进化谱系。

② 每个SDP在菌株水平上拥有进一步的基因组多样性，分离成个体蜜蜂。

③ 虽然在种型和SDP水平上发现了一些与年龄相关的成分特征，但在应变水平上却不存在与年龄或菌落的相关性。

④ 与菌株分离成个体蜜蜂相一致，研究也发现蜜蜂的微生物组的功能组成有很大的不同。

参考文献：

KirstenME , Philipp Engel . Genomic diversity landscape of the honey bee gutmicrobiota.Nature Communications,2019. https://www.nature.com/articles/s41467-019-08303-0#Sec2

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