福壽螺腸道微生物群落特征與其入侵關系的研究進展

劉 川，萬自學，喻夜蘭，楊海君

（1.寧鄉市鄉村宜居建設服務中心，湖南 長沙 410600；2.湖南農業大學植物保護學院，湖南 長沙 410128；3.湖南農業大學資源環境學院，湖南 長沙 410128）

近年來，隨著人們對腸道菌群在宿主生理活動中有巨大影響的認識日益加深，腸道微生物菌群逐漸被稱為動物體內另一個“內分泌器官”[1]和“第二基因組”[2]，但相比其他腸道微生物熱點研究寄主而言，有關福壽螺腸道微生物在全球范圍內的研究仍偏少[3-4]。作為一種外來入侵水生腹足綱動物，福壽螺（Pomacea canaliculata）具有生命周期短、生長快、成熟早、繁殖力高、生態幅寬、適宜性強、可塑性大和食性廣等特征[5]，結合對其他動物腸道微生物的研究發現，其強大的消化能力和生態耐受性都可能與腸道微生物之間存在著密切的聯系。一方面，已有研究描述了腸道菌群對提高腹足綱動物消化能力以及提供營養的重要性[6]。例如，腹足綱動物腸道微生物具有降解植物細胞壁及細胞儲存物的能力[7]。另一方面，腸道微生物群落調控產生的物質可以與宿主的生理機能相互作用，具備促進宿主組織發育[8]、協助宿主降解有毒物質[9]、抑制病原菌感染[10]、提升宿主免疫能力[11]等功能。然而大多研究僅限于對福壽螺腸道微生物群落組成的初步分析，未深入探究腸道微生物在福壽螺生理過程中所起的作用以及福壽螺腸道微生物與福壽螺入侵的關聯性。因此，筆者查閱了相關文獻，總結了福壽螺不同生長期、不同性別和不同消化道部位的腸道微生物群落特征，分析了福壽螺腸道微生物群落構成與其入侵機制之間的聯系，并探討了可能改變福壽螺腸道菌群結構的相關因素，展望了福壽螺腸道功能微生物與福壽螺生理變化領域的未來研究方向，以期為福壽螺的綠色安全防控提供新方向。

1 福壽螺腸道微生物群落結構與特征

腸道微生物的群落結構及其功能微生物種群通常決定了其對宿主的作用，首先了解福壽螺腸道微生物群落結構有助于揭示福壽螺入侵與腸道微生物之間的關系。

1.1 福壽螺腸道微生物群落結構概況

Chen 等[12]在福壽螺的腸道中共篩出7 個門和11 個屬的微生物，在門分類水平上，分別是軟壁菌門（Tenericutes）、厚壁菌門（Firmicutes）、變形菌門（Proteobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、藍菌門（Cyanobacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi）和擬桿菌門（Bacteroidetes）；在屬的水平上，分別是明串珠菌屬（Leuconostoc）、乳球菌屬（Lactococcus）、芽孢桿菌屬（Bacillus）、腸桿菌屬（Enterobacter）、克勞斯氏菌屬（Cloacibacterium）、分枝桿菌屬（Mycobacterium）、暖繩菌屬（Caldilinea）、Litorilinea、根瘤菌目未分類屬（unclassified genus from order Rhizobiales）、諾德氏菌屬（Nordella）、甲基囊孢菌屬（Methylocystis）。福壽螺的腸道核心細菌門占比最多的為軟壁菌門，其次分別為厚壁菌門、變形菌門、放線菌門、藍菌門；在屬的水平上，福壽螺的腸道微生物最豐富的分別是氣單胞菌屬（Aeromonas）、腸桿菌屬（Enterobacter）、脫硫弧菌屬（Desulfovibrio）、檸檬酸桿菌屬（Citrobacter）、叢毛單胞菌屬（Comamonas）、克雷伯氏菌屬（Klebsiella）、假單胞菌屬（Pseudomonas）等。

1.2 不同生長期、不同性別福壽螺腸道微生物的優勢種群

不同生長期福壽螺的腸道微生物群落有著相似的優勢種群[12]。在門水平上，幼螺與成螺均以變形菌門、厚壁菌門、軟壁菌門以及放線菌門4 類為優勢門，其中又以變形菌門相對豐度最高；在屬水平上，幼螺與成螺則均以明串珠菌屬、乳球菌屬、諾德氏菌屬為優勢屬。但福壽螺幼螺和成螺也有著各自獨特的優勢種群，相比成螺，幼螺的腸道微生物群落更加富集于柔膜菌綱（Mollicutes）下支原體目（Mycoplasmatales）的支原體科（Mycoplasmataceae）；在成螺體內獨特的腸道微生物優勢種群則主要為暖繩菌屬、芽孢桿菌屬。

研究表明，雌、雄福壽螺胃、腸內的菌系結構大體相同[13]，但腸道微生物群落中的優勢種群存在一定差異，雌螺腸道微生物比雄螺更富集于變形菌門和放線菌門，代表性優勢種群如α-變形菌綱（Alphaproteobacteria）下的根瘤菌目（Rhizobiales），而雄螺腸道中擬桿菌門下擬桿菌綱（Bacteroidia）微生物的豐度則顯著高于雌螺。變形菌門和放線菌門在消化植物成分、為宿主提供能量方面發揮著重要作用，這可能是導致雌性福壽螺擁有較高的生長速率和更大體型的主要原因[14]。

1.3 消化道不同部位的腸道微生物的優勢種群

福壽螺消化道不同部位的腸道微生物群落結構存在差異[15]。Li 等[16]對福壽螺消化系統的微生物群落進行了鑒定分析，共發現了29 個門111 屬微生物。福壽螺口腔中微生物群落較少，其中特征科為紫單胞菌科（Porphyromonadaceae），特征屬為纖毛菌屬（Leptotrichia）；胃中則含有較多的蒼白桿菌屬（Ochrobactrum）、沉積物桿狀菌屬（Sediminibacterium）；腸道樣本的細菌多樣性最高，優勢菌群為蒼白桿菌屬、沉積物桿狀菌屬、脫硫弧菌屬、氣單胞菌科未分類屬（unclassified genus in the family Aeromonadaceae）和梭狀芽孢桿菌屬（Cloacibacterium）。程天印等[13]利用PCR-DGGE 技術分析了福壽螺胃腸道菌群結構，結果表明，胃腸中主要有氣單胞菌屬（Aeromonassp.）、希瓦氏菌屬（Shewanellasp.）、粘質沙雷菌（Serratiamarcescens）、腸桿菌屬、芽孢桿菌屬。

此外，福壽螺消化道不同部位也有各自的優勢微生物種群，這可能是福壽螺生長發育各時期的腸道微生物和消化道不同部位的腸道微生物所承擔的功能不同所致。

2 福壽螺腸道功能微生物與福壽螺入侵機制的關系

2.1 腸道微生物的代謝功能增強了福壽螺的生長與增殖能力

與其他螺類相比，福壽螺的生長與繁殖速度更快。研究表明，同一區域內福壽螺每年可傳代2～3 次，而圓田螺僅可繁殖1 代；且3 月齡的福壽螺體重即與一年齡田螺相當。更快的生長速度和更大的個體使得福壽螺擠占了入侵地的大部分生態資源。而福壽螺的生長速度與其強大的消化代謝能力密切相關[17]，這在一定程度上得益于腸道微生物促進代謝的本領。

（1）蛋白質降解。厚壁菌門是福壽螺腸道中含量較豐富的細菌門之一。Tang 等[18]的研究發現，大多數與蛋白質和氨基酸降解相關的菌株都與該門微生物有關，厚壁菌門中的某些細菌甚至在蛋白質和/或氨基酸降解中起著核心作用。此外，在福壽螺的胃和腸道中均有分布的藻青菌（cyanobacterium）也能夠參與蛋白質的消化[18]。

（2）纖維素降解。福壽螺食草性極強，能夠在生態環境中造成嚴重影響[19]。這意味著福壽螺具有很強的纖維素降解能力。福壽螺腸胃中纖維素降解酶的活性要高于其他螺類，這是支撐其強消化能力的重要因素之一[20]。而相關研究表明，福壽螺腸道內的細菌群落也可能對纖維素和其他植物組成成分的消化產生極為重要的作用[21]。Rimoldi 等[22]發現，在食用植物飼料的動物消化道內，變形菌門和厚壁菌門的比例往往較高。變形菌門作為福壽螺腸道細菌群落的優勢門，也常見于其他腹足綱動物體內，在福壽螺腸道中發現的變形菌門腸桿菌科（Enterobacteriaceae）腸桿菌屬已被鑒定為纖維素分解種，被證明與羧甲基纖維素酶（CMCase）活性相關[22]，并且同樣是另一種腹足綱入侵動物非洲大蝸牛（Achatina fulica）腸道中的優勢種[23]。此外，還有研究者在分子和生化水平上鑒定出一類芽孢桿菌也能夠分泌纖維素酶，并幫助福壽螺消化、分解各種纖維素和半纖維素，從植物材料吸收營養物質[24]，這與福壽螺的食草性相一致。

（3）其他營養代謝。明串珠菌屬是福壽螺幼螺腸道內優勢屬之一，研究表明，明串珠菌屬作為革蘭氏陽性菌，可能在多糖、甘露醇、維生素、細菌素的產生和α-半乳糖苷的水解等方面發揮重要作用[25]。

2.2 腸道微生物的拮抗作用增強了福壽螺的免疫能力

福壽螺作為一種水生外來入侵動物，生存在微生物類群復雜的水環境中，為細菌和寄生蟲的侵入提供了機會，但少見福壽螺微生物病害相關的研究，可能與其腸道微生物能夠參與福壽螺的免疫過程有關。來源于厚壁菌門鏈球菌科（Streptococcaceae）的乳球菌屬（Lactococcus），是一種在福壽螺和釘螺中含量比較豐富的細菌屬[26]。有研究表明，乳球菌對包括假單胞菌、大腸桿菌、黃體微球菌和無乳葡萄球菌在內的10 種病原體具有體外拮抗作用[27]。此外，還有厚壁菌門桿菌科（Bacillaceae）芽孢桿菌屬（Bacillus）的某些菌株能夠作為動物的益生菌增強家畜和魚類的生長和免疫狀態[28]。芽孢桿菌屬和乳球菌屬同樣是釘螺腸道菌群的優勢屬[29]。這與Chung 等[30]研究中厚壁菌門能夠促進腸道穩態和宿主免疫能力的結論一致。

2.3 腸道微生物增強了福壽螺的生態耐受能力

福壽螺另一個快速適應新環境的機制在于能夠抵抗環境中存在的不利因素，例如低溫、干旱和環境污染等[31]。而在這個過程中，腸道微生物發揮了重要作用。研究表明，動物腸道細菌群落可能參與了越冬期間與消化和耐寒性相關的多種生理過程[32]。在長期的低代謝狀態下，福壽螺會利用尿酸參與類似POS（氧化應激準備）的策略來耐受長期干旱和低溫[33]，而Koch 等[34]從福壽螺雌螺的腸道中分離出一種能夠決定尿酸酶活性的腸桿菌屬微生物，該微生物可參與福壽螺體內結合氮的循環。另有研究表明，福壽螺腸道中的脫硫弧菌屬和檸檬酸桿菌屬在重金屬解毒方面有特殊作用[35]。例如，還原硫的脫硫弧菌會產生硫化氫，能沉淀金屬，從而降低溶解金屬的毒性。

3 影響福壽螺腸道微生物群落變化的因素

微生物群落結構與其功能之間有著密切的聯系，微生物群落的種群結構組成通常決定了其生態功能，在功能上又表現出與物種生存環境和生活習性相適應的特征[36]。腸道微生物群落作為動物免疫的生理屏障之一，其組成結構只有保持階段性的穩定且合理，才能為宿主獲得有利的生存條件[37]。而環境因素和自身生物特性等會影響腸道微生物的定殖以及隨后的構建過程，因此腸道微生物群落因宿主的種類、生境、生長時期的不同而存在顯著差異[38]。此外，化學物品、農藥、抗生素等污染物也會對腸道微生物造成影響。

3.1 生長期與性別

不同生長期的福壽螺其腸道微生物群落結構組成上表現出了顯著差異，一方面體現在腸道微生物種類數量上，Chen 等[12]的研究發現，除去福壽螺核心菌群OTUs 外，幼螺特有的OTUs 數量為158，遠少于成螺所擁有的特有OTUs 數量；另一方面，隨著福壽螺個體的不斷生長成熟，其攝食率逐漸降低，幼螺往往比成螺表現出更激進的覓食競爭能力[39]，且因消化系統未發育成熟，幼螺更少取食大型植物。因此，相比成螺，幼螺腸道中主要富集明串珠菌屬等有較強水解代謝和營養吸收功能的微生物。

不同性別對福壽螺腸道微生物群落結構組成也存在影響。在Chen 等[12]的研究中，雌螺腸道微生物的豐富度和多樣性顯著高于雄螺，這可能是雌螺在生理狀態上表現出比雄螺生長速度更快，體型更大的原因之一。

3.2 食物種類

研究表明，長期取食營養物質含量不同的食物會逐漸改變腸道微生物菌群的組成[40]。在Theenhaus等[41]的研究中，與福壽螺同為腹足綱的海蛞蝓（Arion rufus）食用不同的植物后，排泄物中微生物生物量、活性及養分狀況均存在較大差別；另有研究者發現，在連續6 個月飼喂非洲大蝸牛糖分較高的甘蔗后，蝸牛腸道中代表性微生物種群擬桿菌屬減少了50%[42]。此外，不同的飽食狀態也會造成腸道菌群組成變化，例如法國大蝸牛在饑餓狀態下腸道中的塔特姆菌屬（Tatumellasp.）會出現缺失[43]。

3.3 生境因子

生境因子不僅會直接對福壽螺個體和種群造成影響，而且會在一定程度上改變福壽螺腸道微生物群落結構，這些因子包括但不限于福壽螺所在環境中的微生物、溫度、pH 值以及一些污染物等。

3.3.1 外界微生物福壽螺取食時所攜帶的外來環境菌株能夠短暫豐富腸道微生物的多樣性，可能在腹足綱動物的生理過程中發揮重要作用[44]。

3.3.2 溫度 Yang 等[45]的研究發現，支原體作為紅皺巖螺（Rapana venosa）消化道中的主要屬，能夠輔助宿主消化，而其豐度會隨溫度的變化而發生顯著變化，在16、22 和28℃下，OTUs 分別占總序列的79.5%、13.6%和17.6%；其他微生物在不同溫度下的變化也比較顯著，例如嗜冷菌屬只存在于16℃條件組，而導致珊瑚病的弧菌屬（Vibrio）只存在于28℃條件組。Nicolai 等[46]的研究則發現，法國蝸牛（Helix pomatia）的腸道細菌群落隨溫度表現出一定的季節性，例如越冬時會從腸道末端排出一部分細菌群落。

3.3.3 pH值 pH 值也會影響福壽螺腸道微生物的分布結構，消化道不同部位的酸堿度在一定程度上塑造了腸胃中特殊的微生物群落結構。Charrier 等[47]研究中提到腸道堿度的增加對腸道微生物群落會產生影響，尤其是部分發酵細菌。

3.3.4 重金屬污染已有研究發現，重金屬鎘（Cd）、鉻（Cr）、砷（As）、鉛（Pb）、銅（Cu）、鉛（Pb）等會對水生生物腸道微生物產生影響[48]。例如，Cu 脅迫處理銀鯽后，會抑制其腸道中的厚壁菌門微生物生長，而氣單胞菌屬、弧菌和愛德華氏菌屬（Edwardsiella）的數量明顯上升，導致銀鯽更易發生炎癥[49]。用含鉛水環境短暫處理成年雄性斑馬魚后，會引起斑馬魚腸道的組織學損傷，彎曲桿菌、變形桿菌減少，厚壁菌門菌增加[50]。當福壽螺生活在受重金污染的水中時，消化道會產生組織病理學變化，但死亡率仍維持在較低水平[51]，表明福壽螺對重金屬污染有較強的耐受性，這是否與腸道微生物能夠緩解重金屬對福壽螺的脅迫有關值得進一步探究。

3.3.5 化學污染消化道作為福壽螺關鍵的物理和生物屏障，是接觸化學污染物的主要部位，而化學污染也會改變腸道微生物群落組成，從而間接影響生物正常生命活動。目前常見的化學污染包括抗生素污染和農藥污染等，其中抗生素是一種被廣泛應用于畜牧水產養殖的抗菌藥物，在殺死病原菌的同時，也會殺死其他細菌，從而破壞腸道菌群穩態[52]。Walker 等[53]將特定的抗生素如氯霉素、氯四環素等加入蛞蝓食物中后，發現蛞蝓體內腸道微生物的含量減少了；Ansart 等[54]的研究也發現，抗生素能夠使大蝸牛（Helix aspersa）腸道細菌的數量減少25%，從而使得細菌冰核活性和大蝸牛的過冷卻點降低。而化學農藥不僅能夠導致極為嚴重的環境污染，也被證明能夠通過改變宿主器官組織結構[55]、干擾內分泌[56]、改變酶活性[57]、影響基因表達[58]、誘導代謝產物變化[59]等機制造成腸道微生物種群結構上的變化。腸道微生物群還被證明與寄主農藥抗性有關，是抵抗農藥毒性的重要因素[60]。因此，探究福壽螺化學藥劑防控與福壽螺腸道微生物之間的相互關系對于開展福壽螺的綠色防控具有重要意義。

4 總結與展望

筆者就福壽螺的消化系統及腸道微生物群進行綜述，概括了福壽螺腸道微生物群落結構組成以及其不同生長時期和消化道部位的腸道微生物優勢種群，總結了腸道微生物在福壽螺生長發育中的功能，說明了其在福壽螺生態入侵過程中所起到的作用，最后歸納了影響福壽螺腸道微生物群落結構變化的因素，從一個新的角度上解釋福壽螺能夠成功入侵的原因，但是關于腸道微生物菌群、福壽螺生理與環境生態三者之間的關系尚存在一些關鍵性的問題：（1）現有的研究僅從微生物基因組角度對其進行了部分的功能預測，腸道微生物群落結構、優勢種群及其代謝產物對福壽螺具體的功能及其作用機理尚不明確；（2）外界因素能夠對福壽螺產生影響，也能造成腸道微生物群落結構的變化，但多數研究僅探討了表面上的相關性，三者間內在的因果關系缺乏系統深入研究。因此，此后的研究中應對福壽螺腸道微生物及其代謝產物的作用機制開展深入分析，探究福壽螺各項生命活動和腸道菌群功能之間的內在機制。同時，明確環境因子和化學農藥等農業生產中常見因素對福壽螺腸道微生物群落結構的影響，以期更好地利用腸道微生物開展福壽螺的綠色高效防控以及專性生物防控。