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探究白蚁后肠中的微生物群落——访谈

Investigating the Microbial Community in the Termite Hindgut - Interview

Jared Leadbetter 解释了为什么白蚁肠道微生物群落是研究微生物之间复杂相互作用的理想体系。文中阐述了宿主昆虫与降解木质纤维素的肠道微生物之间存在的共生关系，以及这些微生物在降解植物生物质和生产生物燃料方面的工业应用。

Jared Leadbetter 解释了为什么白蚁肠道微生物群落是研究微生物之间复杂相互作用的理想体系。文中阐述了宿主昆虫与能够降解木质纤维素的肠道微生物之间存在的共生关系，以及这些微生物在降解植物生物质和生产生物燃料方面的工业应用。

Jared Leadbetter 解释了为什么白蚁肠道微生物群落是研究微生物之间复杂相互作用的理想体系。

因此，白蚁与其肠道微生物是极为引人入胜且复杂的互利共生关系的一个实例。我致力于研究白蚁及其这些微生物，以更深入地理解它们在将一种极为复杂的食物来源——木质纤维素——降解为白蚁和微生物均可利用的产物过程中，各个不同组分所发挥的多种作用。我是 Jared Ledbetter。我是加州理工学院环境微生物学的副教授，参与我校环境科学与工程项目的教学与研究工作。我在加州理工学院已工作六年半，但在过去17年中，我的主要研究兴趣一直集中在白蚁后肠中定居的微生物群落的微生物学研究。自从我在马萨诸塞州伍兹霍尔参加微生物多样性暑期课程，首次接触到白蚁肠道微生物学以来，我就对存在于白蚁后肠中的各种不同微生物物种的身份及其功能产生了浓厚兴趣。白蚁后肠微生物群落包含约 250 种独特的微生物，涵盖了生命的全部三个域。其中包括宏基因组的古菌（ArcHa）、厌氧性纤维素分解原生生物，即单细胞真核生物，以及多种多样的细菌，特别是密螺旋体（spirochetes）这一类群中的大量新物种。尽管这些约 250 种微生物仅存在于白蚁体内，在自然界其他地方尚未发现，然而即使经过约一百年的研究，我们对这些不同微生物各自功能的了解仍然十分有限。总体而言，宿主昆虫与微生物群落之间形成了一种极为引人入胜的互惠共生关系，共同将木质纤维素降解为代谢产物，这些产物基本支撑了宿主昆虫及各类共生微生物自身的代谢活动。因此，在过去的16到17年里，我一直非常关注鉴定这些物种的身份以及它们的功能。这些物种在后肠中如何相互作用？它们对宿主有何益处？白蚁与其肠道微生物便是极为引人入胜且复杂的互利共生关系的一个实例。因此，我致力于研究白蚁及其肠道微生物，以更深入地理解这些不同组分在将复杂的木质纤维素食物降解为白蚁和微生物均可利用的产物过程中所发挥的各种作用。研究白蚁及其肠道微生物的另一个原因是，白蚁在全球范围内是一类极为重要的动物类群，在热带和亚热带地区的全球碳循环和氮循环中发挥着关键而重要的作用。白蚁具有极高的多样性，即存在大量不同的白蚁物种，且其种群数量极为丰富。作为一个这些昆虫成功程度的例子，它们虽然是小型生物，却是全球二氧化碳和甲烷的重要来源。由于白蚁将大量木材转化为这些产物，它们对全球二氧化碳的贡献约为2%，对全球甲烷的贡献约为4%，这对于任何一类动物而言都是相当显著的。因此，通过研究这些昆虫体内微生物的活动，我们能够更深入地理解这些昆虫及其在全球范围内取得成功的基础。从规模和可重复性的角度来看，研究白蚁及其肠道微生物也十分有趣。在某些层面上，我之所以研究白蚁及其肠道微生物，是因为这是一个非常令人兴奋且复杂的环境。但后肠这一环境，即后肠生态系统，与其他许多环境有着显著差异。白蚁后肠体积非常小，约为一微升，并且具有明确的边界，因为其内壁由肠道上皮或昆虫自身组织所包围。然而，我们可以非常明确地界定该环境的范围。这个环境极其微小，但我们能够收集一盒白蚁，例如200只，平均每只白蚁都拥有一个重复且相似的此类环境。如果将白蚁肠道环境与例如马尾藻海进行比较，马尾藻海广阔无垠，宽达一千英里。它的边界虽有定义，但可能仅具有操作上的意义。马尾藻海并没有明确的边界，而且全球仅此一处。因此，通过研究马尾藻海，我们可以获得大量关于海洋科学的知识，研究马尾藻海具有重要意义。但这项研究存在一定的复杂性，你必须能够登上船只并前往该海域。 如果你对其中某些微生物有了发现，你可能并不知道这些微生物在任一时间点的具体位置，它们的分布位置可能相隔数英里，而且显然每种微生物只有一个。因此，要对马尾藻海进行研究并以某种方式对其进行扰动，再将其与一个对照的马尾藻海进行比较，是非常困难的。而通过研究其肠道微生物，我们实际上获得了一个非常适合采用实验室技术进行研究的环境实例。我们可以重现这种环境，对其进行扰动，并与对照组进行比较。我们始终能够精确到约一毫米的范围内，了解所有这些不同的微生物群落和微生物物种在这一微升级别的肠道环境中的相互作用位置。因此，在我的实验室中，我们倾向于利用任何可用的技术来研究这一微生物群落，以期揭示该群落的奥秘。这一研究方向的一个重要方面是尝试培养定植于该微生物群落中的物种。在体外实验室条件下，250个物种的群落已极为复杂，而若能研究某种细菌的纯培养物，则对科研结果的解读将具有无与伦比的清晰性。我们的部分研究工作聚焦于深入肠道菌群，尝试从中分离并培养单一物种，进而详细研究这些物种的生理学、遗传学和基因组学特性，再反过来推断这些物种在群落中所发挥的功能。 一个例子是关于白蚁肠道的研究。螺旋体（Spiro keets）是一类螺旋状生物，在几乎所有白蚁中都大量存在。白蚁体内含有螺旋体，它们实际上与引起梅毒的病原体有较近的亲缘关系，但在所有健康的白蚁中都能观察到这些 SPI keets。因此，在过去许多年里，我们只知道这些螺旋体可能与宿主存在共生关系，并对宿主起到某种积极作用，但我们并不清楚它们具体发挥什么功能。大约十年前，我成功实现了在体外培养部分这些SPI螺旋体，现在我们能够对这些SPI螺旋体进行研究，并已深入了解了它们的生理特性以及它们在自然环境中可能发挥的作用。在此之前的时期，我们对这些螺旋体在其环境中的功能一无所知。通过研究这些纯培养物，我们已取得许多基于纯培养的重要发现。我们还采用基于基因的方法来研究这一微生物群落。可能存在某种特定类型的基因，代表了某种特定的生理功能，我们可以深入该群落，探究这类基因有多少种变异形式，以及哪些生物体编码了这些关键基因？因此，通过研究与氮代谢以及碳代谢关键方面相关的基因多样性，我们可以开始从功能上解析白蚁后肠中发生的生物学过程。我们还可以利用基于基因的机制或方法来评估白蚁体内微生物的多样性。我们可以使用核糖体RNA基因作为标记基因或条形码，以准确评估该群落中存在多少物种、其相对丰度如何，以及我们获得的纯培养物在多大程度上反映了这种多样性。因此，在我的实验室中，我们采用了多种基于基因的技术。我们还致力于宏基因组学研究，旨在分析该微生物生态系统中的全部基因组内容，以了解该群落中存在哪些不同的代谢过程。在我的实验室中，我们研究纯培养物，采用基于PCR的基因技术，运用宏基因组学方法，并检测这些后肠中存在的活性，包括酶活性。我们还利用显微镜来研究微生物在肠道中的定位，以及它们与其他细胞之间的相互作用。总体而言，我们的目标是了解后肠中存在多少物种，这些物种各自的功能是什么，以及它们之间如何相互作用。研究微生物群落面临诸多挑战，这些挑战与其他自然界群落的研究明显不同。你知道，在森林或稀树草原中散步时，观察沿途遇到的不同植物和动物物种，相对来说是相当直接的。在过去的一百年里，群落生态学领域已经发展出许多方法并采取了多种研究途径，开始探讨某个特定群落中存在多少种植物或动物，以及在该群落中遇到这些物种的频率。随后，实际上还需要长期观察这些生物在其群落中的表现，以了解它们如何适应所面临的环境动态变化和环境胁迫。你知道，在热带草原上，你可以观察大象或狮子，研究它们的一些行为及其适应方式，了解它们如何获取能量和食物，以及它们之间的相互作用。当你研究那些肉眼可见的微生物或生物体时，这些观察相对直接明了。同样，要区分你面对的是植物还是动物，也相对容易。我所说的不是从物种分类的角度，而是从它们的功能角度来看。你可以观察一种生物，几乎可以确定这是一种光能自养生物，即能够吸收太阳辐射并将这种能量转化为有用物质的生物。或者你正在观察一种异养动物，这种动物主要以蛋白质作为其能量来源。因此，当你穿过哈瓦那社区或森林群落时，可以做出许多观察。然而，当你研究微生物群落时，进行此类观察和得出结论要困难得多。这些生物体非常微小，即使使用性能优良的显微镜，也并不总能清楚地看出不同生物体之间有何差异以及差异何在。也就是说，如果仅从微生物群落本身来看，可能很难确定其中有多少个物种以及它们的相对分布情况。通过显微镜观察该微生物群落并回答“这些生物体的功能是什么”这一问题，也可能非常困难。因此，微生物群落研究中的一个主要挑战就是明确其中存在哪些微生物，以及它们正在执行哪些功能。因此，我们必须采用不同的技术来研究微生物群落，以获取有关该群落中存在哪些微生物、哪些微生物具有活性、这些微生物的功能是什么，以及它们如何响应环境变化并产生何种适应性反应的信息。自从大约17年前（即1990年左右）我首次对白蚁肠道微生物群落的研究产生兴趣以来，我所在领域的整体技术水平取得了多项进步，这些进步使我以及其他人能够更深入地了解微生物群落，特别是白蚁肠道微生物群落。其中大部分技术是基于基因的研究方法。当我刚开始研究白蚁时，人们只能使用显微镜观察，可以查看白蚁等微生物群落，评估其中存在的不同形态，并大致估算该群落中可能有多少种不同的物种。但在过去的15到17年里，大量基于基因的技术和基因组学技术相继出现，使得我们从白蚁后肠等微生物群落中提取信息的能力发生了迅速而显著的变化。如今，我们可以将基因用作几乎类似于条形码的标记，以识别环境中的不同生物体。我们可以深入一个微生物群落，例如白蚁后肠，利用特定基因作为多样性的代理指标，来确定其中存在多少不同的物种。并且，我们可以将该基因作为条形码，用于追踪这些生物是否存在于培养物中，或利用该条形码追踪群落中不同物种丰度的动态变化。通过其他基于基因的技术，我们还可以探究：编码特定功能酶的基因是否存在于该微生物群落中？有多少种变异，即有多少种生物体能够催化这一过程？我们是否已将这些生物体进行培养？目前已经出现了多种基于基因以及聚合酶链式反应（PCR）的技术方法，用于研究微生物群落，这些方法彻底改变了我们对微生物群落的理解。而这些变革均在过去20年中逐步实现。从基础研究或学术研究层面，以及生物技术和应用研究层面来看，白蚁及其肠道微生物的研究都十分有趣。白蚁以木材为食并将其降解。对我而言，至关重要的是要弄清楚白蚁及其肠道微生物究竟是通过何种机制来攻击木材的，而木材实际上是自然界最早的复合材料。这是一种三层复合材料，质地非常坚韧。而真正令人着迷的是，这种昆虫及其肠道微生物如何将这种复合材料中的氨基脱去，并进一步将其所有组分降解为可利用的燃料产物，供昆虫和这些微生物自身使用。这一过程令我深感着迷，同时也对生物技术和工业具有重要的基础意义。从社会整体而言，我们实际上并未完全理解木材是如何被降解为其他物质的。事实上，我们对这一过程的理解还非常有限。目前，人们越来越关注如何更深入地了解植物木质纤维素的降解机制，例如稻壳、玉米穗轴，以及榨取糖分后剩下的甘蔗渣等物质的分解过程。人们非常关注如何将低价值的木质素纤维素类商品转化为更高价值的乙醇、氢气、甲烷或其他产品。关键在于认识到，白蚁会持续降解木质纤维素木材，并将其转化为自身的生物燃料。在工业领域，人们非常希望了解在木材降解初期起作用的酶有哪些。 或许，人们随后便能够利用这些酶，并将其与其他下游过程偶联，从而开发出一种全新的工艺。这种新工艺既不同于当前工业中采用的方法，也不同于自然界中发生的过程，而是真正融合了二者的优势，将木材转化为具有价值的产品，例如乙醇、氢气、甲烷或其他目标产物。在我的实验室中，主要研究兴趣在于深入理解这一微生物群落，以及它与宿主之间的相互作用，还有宿主在微生物群落参与木质纤维素降解过程中所发挥的作用。然而，人们对于利用这些信息并将其应用于新型工业工艺的开发具有浓厚兴趣。我认为，过去两年中关于生物燃料的讨论很多，这引起了人们对生物燃料研究必要性乃至前景的关注。不过，我必须坦率地指出，我认为目前的资金投入水平与这一领域所受到的关注并不相称。生物燃料领域并没有类似“曼哈顿计划”的重大项目。迄今为止，尚未出现与生物燃料研究相关的大规模基础研究投资。由于目前我们对木质纤维素降解的基本机理理解仍然非常有限，我认为，如果我们希望推动生物燃料的发展，就必须启动一项涵盖各个层面的专项计划，从基础的学术研究到产业应用，都需要进行有针对性的投资，才能使这一目标成为可能。如果人们希望这一目标在两、五或十年内实现，我们就必须投入资金，以激励人们投入时间和精力来推动其实现。在过去20年中，我们利用基因技术研究微生物群落的能力已迅速发展。我认为，我们都可以对未来五到十年可能发生的事情抱有一些憧憬，而且我相信，十年后我们极有可能具备对每一个物种的完整基因组进行识别、测序和分析的能力。在白蚁后肠中，至少存在250种微生物，我认为这将为我们提供一个类似文件柜的信息库，使我们能够了解其中每一种物种的基因组内容。这将是一个极为重大的发现，因为仅仅十年前，我们才首次对那些已被充分认知的微生物进行基因组测序。而在未来十年内，我相信我们将能够深入复杂的微生物群落，获取那些从未被详细研究过的生物体的基因组信息，并首次利用这些信息推动对这些生物体的深入研究。

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科研

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生物学

调查白蚁后肠中的微生物的社区 - 面试

California Institute of Technology - Caltech.  贾里德 - 利百特解释为什么白蚁肠道微生物群落是一个优秀的系统研究微生物之间复杂的相互作用。主机昆虫和纤维素降解的肠道微生物之间存在共生关系进行了解释，以及这些微生物的降解植物生物质和生物燃料发电的工业用途。

Summary

Jared Leadbetter 解释了为什么白蚁肠道微生物群落是研究微生物之间复杂相互作用的理想体系。文中阐述了宿主昆虫与降解木质纤维素的肠道微生物之间存在的共生关系，以及这些微生物在降解植物生物质和生产生物燃料方面的工业应用。

探究白蚁后肠中的微生物群落——访谈

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