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蝗虫聚集行为可能是细菌的生态策略

谷禾健康

蝗灾是一种古老的现象,以极具破坏性力闻名,它们经常成群聚集并长时间的迁徙,消耗了大量的植被,并毁灭了途经的耕地。所有蝗虫物种基本可能表达两种非常不同的依赖密度的表型(或相):在低密度下,蝗虫表现为隐秘方式,积极避免同种相互作用,并且通常不会对农作物构成严重威胁 。拥挤的蝗虫,趋向于聚集成群,迁移并消耗大量植被,从而对农业造成了严重破坏。

研究蝗虫密度依赖相现象的不同特征的研究中,很少涉及微生物学相关的。最近来自以色列特拉维夫大学的一篇题为:“Microbiome-related aspects of locust density-dependent phase transition”研究利用16srRNA扩增子测序,比较了拥挤诱导相变前后沙漠蝗虫的细菌组成。利用经验实验和一个新的数学模型描述了孤立个体的细菌是如何随着拥挤而变化。在实验室控制的条件下,一些可能受益于聚集现象的细菌制剂可能在蝗虫密度依赖性相移中起到重要作用。细菌组成的这种显著变化包括获得一种特定的细菌物种——Weissella cibaria菌(属于厚壁菌门),这种细菌以前曾被证明能诱导蟑螂聚集。这是对蝗虫相变的一个未知的重要方面的首次描述,证明了相移包括肠道和表皮细菌组成的变化,这个发现也为我们在与这种古老而毁灭性的害虫作斗争的努力中提供了一个新的视角。

主要图表:

  图1, 在t=0d和t=7d时,由群居(黄色下划线)和独居(绿色下划线)个体的粪便(A)和表皮(B)的细菌组成的优势门的平均相对丰度。 值得注意的是,在t=0时,单株蝗虫的粪便中没有厚壁菌门,7天后出现。 此外,虽然群居蝗虫和独居蝗虫的粪便细菌主要以厚壁菌和变形杆菌为主,但蝗虫的体壁也有放线杆菌和拟杆菌的细菌。

  图2,属水平,基于Bray-Curtis的约束规范分析,根据t=0d(A)和t=7d(A1)时的体表细菌组成和t=0d(B)和t=7d(B1)时的粪便细菌组成。 轴显示解释变量(即相组)的变化。 细菌属(红点)相对于群体质心的位置代表了由特定细菌属解释的群体间变异性。 在t=0d时,Weissella菌(用黑色箭头标记)是粪便细菌组成(B)相间方差(基于其在X轴上的位置)的主要贡献者;而在t+7d时,Weissella菌几乎位于群体质心之间,其对方差(B1)的贡献显著降低。 (C)在t=0d和t=7d时,组成粪便细菌组成的优势属的平均相对丰度为群生(黄色下划线)和单群(绿色下划线)。 值得注意的是,在t=0时,Weissella菌没有出现在单独处理中,并在7d后出现。 (D)群居和单源蝗虫中分配给Weissella菌的显性扩增序列变体(ASV)的相对丰度。 单独治疗t=0d时,Weissella指定的ASV消失,t=7d时,两种治疗方法之间无显著性差异。 组间差异分析采用Kruskal-Wallis检验(p<0.001),后处理采用Dunn‘s检验。

图3,模型说明和分析结果。(a)Tα和Tβ是微生物α和β的水平传播率。 G是由于微生物α诱导产生的聚集而导致的蝗虫相互作用的倍增。 Lα和Lβ分别是蝗虫失去微生物α,β的速率。 D(T)表示由于种群密度的变化而导致的所有相互作用率的变化,而μ表示所有可能方向的突变。 (b-c)根据方程(1-3)的平衡分析及其稳定性(见补充信息),绘制了当Lα=0.0 6(B)和Lα=0.2(C)时,期望携带微生物α的宿主在种群中的比例。 黑色区域表示α不能进化的参数范围;灰色区域表示α将灭绝或达到多态平衡的参数范围,具体取决于种群的初始条件;彩色区域表示α将进化并与S达到稳定多态性的参数范围,而不考虑种群的初始条件。 Tβ=0.025,Lβ=0.002,μ=0,D=1。

文章链接:doi: https://doi.org/10.1101/2020.09.17.301010

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