摘要

粗木質殘體是森林生態系統中重要的生物量庫，許多昆蟲類群已進化出利用這一資源的能力。這些昆蟲具有重要的生態學意義，并且是生物質轉化為生物燃料的有用天然模型。通過結合多種分子方法以及氧氣的微電極測量，我們表征了美國東部本土的一種食木甲蟲Odontotaenius disjunctus的腸道微生物組和生理學特征。我們假設腸道不同區域的形態和生理差異將對應于不同的微生物種群和活性。事實上，在前腸（FG）、中腸（MG）/后后腸（PHG）和前中腸（AHG）中發現了顯著不同的群落，其中放線菌門（Actinobacteria）和根瘤菌目（Rhizobiales）在FG和PHG中更為豐富。相反，發酵細菌如擬桿菌門（Bacteroidetes）和梭菌綱（Clostridia）在AHG中更為豐富，并且AHG也是唯一檢測到產甲烷古菌的區域。盡管每個腸道區域都有一個厭氧核心，但微米級的分析在所有區域都識別出了氧氣濃度的徑向梯度。通過15N2摻入證實了固氮作用，并且固氮酶基因（nifH）的表達在AHG中最高。nifH的系統發育分析確定，最豐富的轉錄本與擬桿菌門物種Paludibacter propionicigenes的Ni-Fe固氮酶相關。總的來說，我們不僅證明了這種甲蟲消化道中存在區室化的微生物組，而且還證明了陡峭的氧氣梯度，這可能允許有氧和厭氧代謝在同一個區域內近距離發生。我們提供了微生物固定N2的證據，這對于這種甲蟲以木質生物量為生至關重要。

引言

粗木質殘體代表了森林總碳庫的很大一部分。因此，許多昆蟲類群已經進化并適應了利用這一豐富資源，形成了專門的食木（xylophagous）類群。以這種方式特化的最突出的食木昆蟲類群包括白蟻（等翅目）和特定的甲蟲類群（鞘翅目）。這些類群被認為是經濟上重要的昆蟲，因為它們的一些成員具有破壞性，包括地下白蟻（鼻白蟻科）、粉蠹蟲（長蠹科）以及山松甲蟲（小蠹亞科）和天牛（天牛科）等樹皮甲蟲。這些昆蟲進行機械和酶促分解粗木質生物量的能力對許多生態系統的生態學至關重要，并且由于其腸道生物區系的高效性和多樣性以及未開發的潛力，也可能具有生物能源應用的前景。

以木質生物量為生的能力在很大程度上歸因于食木昆蟲與其腸道微生物之間的共生關系。這些腸道群落的多樣性和功能主要在白蟻中進行了描述，白蟻分為兩個主要類群：低等白蟻和高等白蟻。白蟻依賴其腸道微生物群來幫助消化。盡管它們能夠將木質生物量分解為簡單的碳化合物、可發酵糖和氫氣，用于分解代謝和合成代謝過程，但底物的高碳（C）：氮（N）比導致了氮限制。為了緩解氮限制，食木白蟻在厭氧腸道區域中棲息著固氮微生物。食木甲蟲的腸道微生物組可能克服了類似的氮限制，并且某些甲蟲因其消化道形態和可培養真菌群落而受到近期關注。

美國東部甲蟲食木類群中最普遍的成員之一是Odontotaenius disjunctus（黑蜣科），這是一種大型甲蟲，體長可達約30毫米，常見于從佛羅里達州向北至加拿大南部，向西至落基山脈。這些昆蟲一生（14-16個月）都生活在III級或以上的腐爛木材中（存在腐爛的視覺和物理跡象），在那里它們進食并在亞社會群落中撫養幼蟲。成年甲蟲用磨碎的木材和糞便的混合物喂養幼蟲，以補充幼蟲發育過程中脫去硬化后腸時損失的微生物。對這種行為的觀察，以及在廣泛分布的甲蟲標本中發現真菌伴生菌的高度遺傳相似性，初步表明了微生物共生體對這些甲蟲的重要性。

盡管研究已有一個多世紀，但O.disjunctus許多后腸微生物的生態作用仍然未知。這種甲蟲首次報道的腸道微生物是原生動物Gregarina passali-cornuti。后來，Pearse等人更廣泛地報道了攜播節肢動物和真核腸道生物群落，十年后Gray進行了生活史研究。最近，從O.disjunctus腸道中培養或克隆并鑒定出許多酵母和其他真核生物，包括副基體綱（parabasalids）。其中一種酵母是潛在商業上重要的物種Scheffersomyces stipitis（同義詞Pichia stipitis），它具有發酵木糖（半纖維素的重要組成部分）的能力。在對O.disjunctus腸道形態和腸道居民進行的一項詳細研究中，Nardi等人將每個腸道分為四個形態上不同的區域，其中腸道生物區系似乎存在分化，正如先前對被稱為毛菌（trichomycetes）的類真菌生物所注意到的那樣。

在這里，我們描述了O.disjunctus四個腸道區域的細菌、古菌（包括固氮種群），并表征了每個區域的理化特性（pH、O2）和固氮酶基因表達活性。我們表明，微生物多樣性和系統發育聚類因腸道區域而異，固氮作用發生，并且表達固氮酶的生物和整體基因表達因腸道區域而異。我們的系統發育分析表明，許多細菌類群與特征明確的纖維素分解生物相關，并且我們表明，乙酸營養型和氫營養型產甲烷菌都局限于單個腸道區域。與白蟻消化道不同，黑蜣科甲蟲的所有腸道區域都有厭氧核心，盡管陡峭的徑向O2梯度可能允許有氧和厭氧過程在每個區域內近距離發生。