2024年周期蝉第十三群微生物组揭示物种与生境特异性互作网络

《Microbial Ecology》：Microbiomes of 2024’s Periodical Cicada Brood XIII Vary By Species and Location

　　本研究针对周期蝉（Magicicada spp.）微生物组如何受物种和地理环境影响这一空白，通过采集Brood XIII四个生态位点样本，结合16S rRNA测序和Massospora cicadina病原检测，发现蝉种与地点显著影响微生物组成，且真菌感染率与微生物多样性负相关。成果发表于《Microbial Ecology》，为昆虫-微生物-环境互作提供了新视角。

　　

周期蝉（Magicicada spp.）是自然界中生命周期最长的昆虫之一，其幼虫在地下蛰伏17年后以百万规模同步破土而出，短时间内成为生态系统中动物生物量的主导者。这类昆虫的生存高度依赖其微生物组，包括必需营养合成的专性共生菌（如Hodgkinia cicadicola和Sulcia muelleri），以及专性寄生真菌Massospora cicadina——后者能通过合成精神活性物质操控宿主行为。尽管蝉的生命周期已被广泛研究，但同一爆发事件中不同蝉种及生境如何影响其微生物组仍未知。2024年，美国伊利诺伊州北部的Brood XIII群蝉大规模涌现，为解析这一难题提供了契机。

为探究蝉微生物组的驱动因素，研究团队在芝加哥西郊选取四个具有不同植物群落、历史干扰程度和土壤化学特征（如胡桃醌存在情况）的森林保护区（Brookfield Woods、Miller Meadow、National Grove、Westchester Woods），每个地点采集15只无明显病害的成虫，通过形态特征鉴定蝉种（Magicicada cassini、M. decim、M. decula）和性别，并利用16S rRNA基因V3/V4区测序分析微生物组成，同时通过PCR检测无症状个体中的M. cicadina DNA。

关键技术方法

研究采用野外采样（蝉虫及伴生植物标本）、形态学鉴定（蝉种与性别）、DNA提取（QIAGEN DNeasy?试剂盒）、16S rRNA基因扩增与Illumina MiSeq测序（V3/V4区）、微生物群落分析（CLC Genomics Workbench归一化与α多样性计算）、真菌病原体检测（NS24/nssu1088R和LR5/LR0R引物PCR），并结合植物群落Shannon-Weiner指数评估生境多样性。

研究结果

蝉种分布与生境关联

蝉种分布呈现非随机性：National Grove的decim比例显著偏高，Brookfield Woods以cassini为主，Westchester Woods的decula占优。植物群落α多样性与蝉种多样性呈正相关（PCC=0.80），且decula丰度与胡桃醌产生树种（黑胡桃、Mockernut Hickory）存在显著负相关（PCC=-0.78），暗示化学因子可能调控蝉种生态位分化。

微生物组组成特征

蝉微生物组以专性共生菌H. cicadicola和S. muelleri为主导（平均占比88%），但蝉种间二者比例差异显著：cassini的H. cicadicola/S. muelleri log2比值（1.14）高于decim（0.18）和decula（0.38）。非共生菌中，Lonsdalea iberica（植物病原菌）、Chitinophaga ginsengisegetis（土壤菌）和Pantoea agglomerans（潜在信息素合成菌）占比突出。Pantoea agglomerans的普遍存在提示蝉群聚集可能存在化感通讯机制。微生物组α多样性最高为National Grove（H′=0.87），最低为Westchester Woods（H′=0.37）。ANOVA分析显示14种细菌丰度受蝉种显著影响，7种受地点影响，但性别无显著效应。

真菌感染与微生物组互作

M. cicadina DNA在23%无症状蝉中检出，感染率因地而异（Westchester Woods最高40%，Miller Meadow为0%）。感染率与微生物组α多样性呈负相关（PCC=-0.73），且历史干扰较轻的站点感染率更高，表明真菌成功定殖依赖稳定生境。

结论与意义

本研究首次系统揭示Brood XIII周期蝉微生物组受物种特异性与生境特征共同塑造，蝉种分布与植物多样性、土壤化学因子（如胡桃醌）紧密关联。微生物组低多样性可能增加真菌易感性，而Pantoea agglomerans等菌的发现为蝉类行为调控提供了新假设。成果强调昆虫-微生物-环境三元互作网络的复杂性，为未来蝉群爆发生态管理及共生菌进化研究奠定基础。作者期待2041年Brood XIII再次涌现时验证相关假说。

（注：文中所有专业术语首次出现时标注英文全称或缩写，微生物学名及基因符号保留原文格式，上下标以^{/_{标签规范呈现。）}}