为了能够对更多的微生物进行分离和培养,近二十年来,微生物学家们发展了诸多新的培养技术和策略并利用它们从昆虫肠道分离出了很多新的难培养微生物。这些新的微生物种类极大地丰富了我们对肠道共生微生物生理作用与功能的认识。以此为基础,本文综述了昆虫肠道微生物分离培养的策略及研究进展,并对未来该领域的发展进行了展望。
昆虫是自然界种类最为丰富、数量最大的一类动物,已知种类达一百多万种,它们能在多种生态环境中生存和繁衍,并且能够快速适应多变的环境条件,在生态系统中发挥着重要的作用。昆虫的外骨骼、肠道、血体腔乃至细胞内都分布着很多微生物。据统计,微生物的总量能够占到昆虫生物量的1%-10%,是昆虫身体不可或缺的重要组成部分,其中肠道内微生物的种类和数量最多。近年来的研究发现,肠道共生微生物在昆虫的食物消化和营养利用、生长发育和生殖调控及抵御病原物和有害物质的过程中发挥重要的作用。例如,很多微生物被前中肠分泌的酶消化为昆虫提供了营养;木食性白蚁和蟑螂后肠的共生微生物帮助宿主固氮、转化含氮废弃物尿酸为可利用的氮源,参与纤维素的降解等;按蚊肠道内的肠杆菌产生的活性氧能够抑制疟原虫的动合子发育为卵囊,从而降低了按蚊传播疾病的可能性。不同昆虫肠道微生物的种类和数量差异极大,很多昆虫肠道微生物的种类和数量都很丰富,其中很多微生物与自然界其他生境中的微生物都不同,迄今为止,只有极少数肠道微生物的功能得到了阐释。
虽然近年来高通量测序技术的快速发展促进了对生态环境中未知微生物种群的鉴定和认识,但对微生物生理功能和生态作用的解析还是有赖于传统的分离和培养技术。迄今为止,由于分离培养技术的局限,自然界可培养的微生物大约只占总数的1%,99%的微生物尚不能培养,因此,也称它们为难培养微生物。
据统计,应用传统的培养技术在不同生境中可培养微生物的比率是:海水中约为0.001%-0.100%,淡水中约为0.25%,土壤中约为0.3%,活性污泥中约为1%-15%。究其原因,主要是人们对不同微生物的特性认识不足,传统的培养方法和技术无法满足微生物在自然生态条件下对环境因子、营养要素、物种间相互作用等方面的要求,尤其是对与动植物之间具有复杂共生关系的微生物的认识则更加困难。由于对共生机制认识不足,无法模拟共生环境的自然因素,因而导致很多微生物很难被分离培养出来。近二十年来,得益于微生物学家们建立和发展的很多新的培养技术和策略并应用于昆虫共生微生物的培养,才成功分离出了很多难培养微生物。这些有益的尝试极大地促进了人们对昆虫共生微生物生理功能及其与宿主互作关系的研究。