3.結果

3.1.軸向氧分布

氧濃度（以氧分壓表示）表明，臺灣褐飛虱腸道系統(tǒng)的不同部分存在顯著差異（圖2）。在前腸，記錄的氧氣濃度為3.8±1.1 kPa，這表明氧氣水平相對較低。對于拉長的中腸，中腸前部、中部和后部的氧濃度分別增加到7.3±1.9、4.7±2.0和7.2±3.3 kPa。然而，從中腸到前腹部的氧濃度水平急劇降低，這導致了臺灣褐飛虱后腸正中腹部的完全缺氧環(huán)境。

圖2。臺灣褐飛虱腸道系統(tǒng)的軸向氧分布。氧氣數(shù)據(jù)記錄在一個腸道隔室的中心。剖面圖上的每個點代表五次單獨測量的平均值±SE。

3.2.徑向氧分布

在這項研究中，還測量了臺灣褐飛虱腸道系統(tǒng)中從腸壁到腸室中心的徑向氧分布。與腸道系統(tǒng)的其他隔室（如中腸和后腸）相比，臺灣褐飛虱的前腸表現(xiàn)出相對緩慢的徑向氧濃度下降；當微電極尖端到達前腸腔中心時，氧氣濃度最終接近于零（圖3A）。相比之下，臺灣褐飛虱中腸中的氧含量從腸壁到管腔中心迅速急劇下降（圖3B）。然而，臺灣褐飛虱中腸中心的氧分壓并未降至零。在臺灣褐飛虱的后腸中，腹部和結腸區(qū)域表現(xiàn)出強大的氧吸收能力，尤其是前腹部，在完全缺氧的微環(huán)境中，從腸壁表面到中心的氧水平下降最為劇烈（圖3C）。3.3.軸向pH值分布圖4顯示了臺灣褐飛虱腸道系統(tǒng)不同部分的軸向腸道pH值分布，其中沿腸道檢測到的pH值范圍很窄。前腸的pH值為6.3±0.1。臺灣人中腸前部、中部和后部的pH值分別略有下降。然而，在臺灣褐飛虱后腸的腹部區(qū)域，在中腸-后腸的連接區(qū)域，pH值開始增加幾乎一個pH單位；這種趨勢持續(xù)下去，后腸前部和中部的pH值分別顯著增加至7.1±0.0和6.7±0.0。如圖4所示，測得的最高pH值在后腸的后腹部，其值高達7.3±0.0，但隨后在直腸區(qū)域以1–1.5 pH單位急劇下降。

圖3。臺灣褐飛虱腸道主要隔室的徑向氧分布。圖中非粗體箭頭表示帶有測試頭的腸管上的起點，在該起點處，從腸壁開始讀取有關氧氣水平的讀數(shù)；粗體箭頭表示在腸管另一側終止試驗的位置。（A）作物的氧氣分布圖；（B）中腸前部（d）、中部（d）和后部（s）區(qū)域的氧氣分布圖；（C）顯示了后腸前腹（d）、后腹（d）和結腸的氧氣分布。從四到七個重復中選擇典型的圖譜。

圖4。臺灣褐飛虱腸道系統(tǒng)的軸向pH分布。所有值均在腸腔中心測量，并以五個獨立輪廓的平均值±SE表示。

3.4.氧化還原電位曲線

臺灣褐飛虱每個腸道區(qū)域中心記錄的氧化還原電位范圍為+310±30 mV（在作物中）到+70±30 mV（在前腹部）（圖5），這表明腸道系統(tǒng)不同位置的氧化還原電位具有較高的動態(tài)性。如圖5所示，前腸具有最高的氧化還原電位。在中腸，前腸的氧化還原電位略有下降，前腸、中腸和后腸區(qū)域的波動較小。此外，在+70±30 mV時，在腸道系統(tǒng)的前腹部記錄到最低的氧化還原電位。在結腸和直腸區(qū)域，氧化還原電位恢復到較高值。

圖5。臺灣褐飛虱腸道系統(tǒng)軸向氧化還原電位分布。氧化還原電位數(shù)據(jù)記錄在腸道隔室的中心。剖面圖上的每個點代表五次單獨測量的平均值±SE。

3.5.氫分布

作為白蟻腸道共生體代謝的中心中間體，還記錄了臺灣白蟻腸道系統(tǒng)的軸向和徑向氫濃度分布。氫微電極測量顯示，在各種腸道腔室的中心，氫分壓范圍很廣（圖6A）。在前腸，氫分壓始終低于檢測限。對于中腸，氫壓分別在前腸、中腸和后腸區(qū)域顯著增加。氫在后腸前腹部積聚，導致最高氫分壓為9.4±0.5 kPa。然而，從前腹部到中腹部的比例急劇下降，在后腹部和結腸中也有類似的趨勢。除前腹部外，只有直腸有氫積聚，觀察到相對較高的氫分壓約為2.5±0.1 kPa。

圖6。臺灣褐飛虱腸道系統(tǒng)中的氫分壓：腸道室中心記錄的軸向剖面（A）（剖面上的每個點代表五次單獨測量的平均值±SE），以及從五個重復中選擇的在腹部前部記錄的典型徑向輪廓（B）（圖中非粗體箭頭表示帶有測試頭的腸管上的起點，從腸管壁開始讀取有關氫水平的讀數(shù)；粗體箭頭表示腸管另一側終止測試的位置）。

圖6B所示為臺灣褐飛虱前腹部氫分壓的典型徑向分布。最高氫分壓（10.4 kPa）記錄在腸腔中心，而朝腸壁的氫分壓值較?。?.2 kPa）。

3.6.金屬離子分布

在這項研究中，共有13種金屬離子及其在臺灣褐飛虱不同腸道室中的分布情況，以及相關的巢穴共生真菌梳和巢穴土壤樣本分別通過ICP-MS進行了測量。如所示，每種金屬濃度及其在前腸（作物部分）、中腸、，和后腸（腹部/結腸部分）不同，有六種金屬離子，K、Mg、Mn、Ba、Se和Mo，顯示出顯著差異（P<0.05）（參見，每種相關金屬濃度的P<0.05）。其他金屬離子在不同位置的濃度沒有顯著差異。六種金屬離子（鉀、鎂、錳、鋇、硒和鉬）的濃度存在顯著差異，其中五種金屬離子（鉀、鎂、鋇、硒和鉬）在前腸作物區(qū)的濃度最高。錳的最高濃度記錄在后腸的腹部/結腸區(qū)域。

表1臺灣白蟻不同腸道間隔、巢穴共生真菌梳和巢穴土壤樣本中記錄的金屬離子剖面圖。

在前、中、后腸微環(huán)境中，在臺灣褐飛虱消化室的每個位置觀察到的13種金屬離子的相對豐度分別顯著不同（P<0.01）。如圖所示，K是存在于前腸、中腸和后腸的13種金屬離子中的主導離子。有趣的是，鋁在后腸的濃度最高。金屬離子的最低濃度出現(xiàn)在前腸、中腸和后腸，通常記錄為鉬（℃）。

直腸區(qū)域是白蟻腸道系統(tǒng)的最后一個隔間，在維持金屬離子濃度平衡方面起著重要作用。任何累積的金屬離子，連同直腸中的其他未消化物質(zhì)，最終會作為糞便排出消化道。這隨后成為巢穴共生體的獨特基質(zhì)。因此，在直腸、真菌梳和白蟻巢穴中的土壤樣本中，除鉬外，每種金屬都檢測到顯著的富集效應（P<0.001）。與臺灣褐飛虱前腸、中腸和腹部/結腸中的金屬離子分布相似，在直腸、巢穴共生真菌梳和白蟻巢穴土壤樣本中觀察到的每種金屬離子的豐度也顯著不同（P<0.001）。

4.討論

生長真菌的白蟻O.formosanus的物理化學條件和金屬剖面實際上反映了這種食木白蟻獨特的食物加工機制，以及它對木質(zhì)纖維食物消化的適應能力。我們的研究結果表明，這種白蟻可能確實會改變其腸道的物理化學條件，因為其巢穴中與一種木材降解真菌存在獨特的外共生關系，這種真菌有助于白蟻消化食物和進行其他必要的代謝。

臺灣褐飛虱腸道系統(tǒng)中的低氧水平表明，由于主要由在白蟻巢穴中培養(yǎng)的外共生真菌提供的幫助，白蟻腸道中的木質(zhì)素降解水平較低（Li等人，2012）。眾所周知，氧與白蟻腸道系統(tǒng)中木質(zhì)素降解和木質(zhì)素衍生的芳香代謝物密切相關（Brune等人，1995b）。在以木材為食的低等白蟻中，臺灣白蟻和黃鰭網(wǎng)紋白蟻前腸的氧分壓分別為30和26 kPa，而中腸的氧分壓，在41和32千帕（Brune等人，1995a；Ke等人，2010年）下，它可以達到更高的氧氣水平，以滿足主要發(fā)生在中腸室的木質(zhì)素氧化過程的需要（Ke等人，2010年）。在非真菌生長的高等白蟻中也報告了類似的情況，例如lujae鼻白蟻，其前腸和中腸的含氧量在40到50 kPa之間（Brune等人，1995a）。值得注意的是，在這些白蟻腸道系統(tǒng)中也檢測到漆酶，這意味著木質(zhì)素改性/降解的耗氧氧化過程（Coy et al.，2010）。相比之下，目前的研究清楚地表明，臺灣洋刀豆在其腸道系統(tǒng)中的氧氣水平顯著較低，介于0到8.6 kPa之間，這表明臺灣洋刀豆腸道系統(tǒng)中木質(zhì)素成分的氧化活性水平較低。這種適應，即臺灣褐飛虱腸道系統(tǒng)中的氧氣水平較低，可能主要是由于其巢穴中的真菌分解菌白蟻與外共生關系，這與木質(zhì)素降解過程有關（Ohkuma，2003；Taprab等人，2005）。

中性pH值不僅在生長高白蟻的真菌臺灣白蟻的當前消化道中，而且在以木材為食的低白蟻的腸道系統(tǒng)中，如黃鰭白蟻，這表明，一些食木白蟻可能需要腸道系統(tǒng)中的中性pH微環(huán)境，以便有效或優(yōu)化酶降解難降解木質(zhì)纖維基質(zhì)的過程。據(jù)報道，在以木材為食的低等白蟻中，用微電極系統(tǒng)記錄了黃胸鼠消化道中的中性pH微環(huán)境（pH 7）（Brune等人，1995a）。在pH值為7時，發(fā)現(xiàn)臺灣側柏和黃胸側柏的重組纖維素酶和天然纖維素酶的活性最高，表明這種中性pH值是這些白蟻腸道系統(tǒng)中纖維素酶功能的最佳條件（Scharf et al.，2010；Zhang et al.，2010）。根據(jù)Liu等人（2011年）的說法，從真菌生長白蟻Anandalei的腸道微生物DNA中提取的重組木聚糖酶在pH 7.5時表現(xiàn)出最大的酶活性，表明中性pH環(huán)境可能支持木聚糖底物上的最佳水解活性。此外，接近中性pH的反應條件有利于微生物發(fā)酵。因此，在白蟻腸道系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的中性pH值很可能為有效的木質(zhì)纖維素消化提供了最佳pH條件。

然而，在非真菌生長的高等白蟻中，據(jù)報道，黑鼻白蟻和微小白蟻的腸道微環(huán)境呈堿性（pH>10）（Brune等人，1995a）。此外，在以白蟻為食的土壤中，極端堿性pH值（11–12.5）也是處理腐殖質(zhì)和土壤食物基質(zhì)的獨特腸道pH環(huán)境（Brune和Kühl，1996；Kappler和Brune，1999）。還值得注意的是，腸道pH值是進化適應的結果，以應對各種食物基質(zhì)加工、各種腸道共生功能以及木質(zhì)纖維素分解酶的最大活性（Kappler和Brune，1999；Lemke等人，2003；Zimmer和Brune，2005；Zimmer和Topp，1997）。

在不同白蟻物種中報告的各種腸道氧化還原電位可能歸因于其獨特的食物基質(zhì)以及適應特定食物和后續(xù)代謝的獨特機制（Sugimoto等人，1998年）。與目前對臺灣白蟻的研究相比，黃鰭白蟻是一種較低等的白蟻，它在中腸（+70至+200 mV）和后腸（200 mV）的氧化還原電位值都要低得多（Ebert和Brune，1997）。據(jù)報道，以土壤為食的白蟻Cubitermes spp.的氧化還原電位在中腸表現(xiàn)出相對較高的值（+380至+400 mV），在后腸表現(xiàn)出相對較高的負值（–100至–200 mV）（Kappler和Brune，2002）。值得注意的是，在pH值、氫分壓和氧分壓相似的情況下，臺灣褐飛虱的腹部比黃鰭褐飛虱的腹部更具電正性。似乎可以得出這樣的結論：食物基質(zhì)中的有機和無機成分對腸道的氧化還原電位有顯著影響，這一點得到了以土壤為食的白蟻和以木材為食的白蟻之間差異的支持（Kappler和Brune，2002）。為了解決這種可能性，我們比較了在地面上覓食和在巢中生活的臺灣白蟻的工作白蟻的氧化還原電位，它們的年齡和大小相同，但腸道內(nèi)的食物基質(zhì)不同。結果表明，覓食的工蟻比巢中的工蟻表現(xiàn)出更多的電負性（數(shù)據(jù)未顯示）。因此，真菌菌梳中含有大量的氧化還原活性化合物，如鐵（III）和腐殖酸（Mishra和Sen Sarma，1980），它們將被巢中的白蟻作為食物食用，并可能導致腸道中的高氧化還原電位。結合上述結果，從臺灣褐飛虱中獲得的高氧化還原電位值可能與其獨特的食物基質(zhì)和微生物群落特征非常一致，并反映了其腸道微生物群的組成和代謝活性。

由于氫通常被認為是木質(zhì)纖維素降解的關鍵中間體（Pester和Brune，2007），臺灣白蟻前腹部10.4 kPa的高氫分壓似乎反映了這些白蟻消化系統(tǒng)和相關腸道微生物群代謝的特殊模式。相比之下，在以木材為食的黃鰭網(wǎng)紋白蟻和以土壤為食的正頜方白蟻中，氫分壓（分別為5和3 kPa）始終低于臺灣白蟻（Ebert和Brune，1997）。眾所周知，白蟻腸道中氫積累的差異是由于負責制氫和耗氫過程的微生物群落和空間分布的差異（Pester和Brune，2007）。此前對大型白蟻亞科的研究表明，活白蟻的甲烷和氫氣排放率較低，并且還原性產(chǎn)乙酰能力較低，這可能意味著臺灣白蟻的腸道可能含有較少的氫氣消耗者，導致其內(nèi)臟中大量積累氫（Anklin-Mühlemann等人，1995年；Brauman等人，1992年；Shinzato等人，2007年）。

臺灣褐飛虱從腸腔到腸壁的陡峭徑向氫分布，以及腸壁附近的斜率，表明腸壁處存在非常強的氫匯。由于臺灣O.formosanus腸道中同產(chǎn)乙酰螺旋體的豐度較低（Shinzato等人，2007年），目前尚不清楚哪些潛在細菌會導致腸壁的氫消耗量。需要詳細分析臺灣白蟻腸道系統(tǒng)中負責產(chǎn)甲烷和還原性乙酰生成的細菌的空間分布和群落結構，這將有助于了解真菌生長白蟻的氫代謝（Brune，2011）。

除了氧氣、pH值、氧化還原電位和氫氣是白蟻腸道系統(tǒng)中重要的物理化學條件外，一些金屬離子確實對維持食品加工過程中的一些關鍵代謝以及多種腸道微生物群的棲息地至關重要（Kramarz，1999）。從目前的研究中可以清楚地看出，臺灣褐飛虱在其腸道系統(tǒng)以及培養(yǎng)的真菌梳子中以高濃度選擇性地積累了幾種金屬離子。這些金屬離子可能與木材解構過程以及一些內(nèi)共生和外共生微生物的功能有關（Mills等人，2009年；Stewart等人，2011年；Yoshimura等人，2002年）。

這些金屬離子在臺灣褐飛虱腸道系統(tǒng)中分布和濃度的差異表明，某些金屬離子可能有助于腸道微生物群落或某些功能，例如激活一些參與木質(zhì)纖維素降解的酶。本研究結果表明，K、Mg、Mn、Ba、Se和Mo在臺灣褐飛虱主要消化道中的空間分布存在顯著差異。顯然，中腸和后腸中鑒定出的五種金屬離子（K、Mg、Ba、Se和Mo）呈現(xiàn)出類似的趨勢，其濃度顯著低于前腸中記錄的濃度，表明這些金屬離子的低濃度可能更適合腸道微生物功能和相關酶活性。

此外，有報道稱，在白蟻木質(zhì)纖維素降解系統(tǒng)中，Mg2+是一些木質(zhì)纖維素酶反應中起作用的重要金屬離子之一。1 mM Mg2+導致重組木聚糖酶的活性顯著增加，重組木聚糖酶來源于真菌生長的白蟻大白蟻的腸道微生物DNA（Liu等人，2011年）。Mn2+還將顯著影響白蟻腸道系統(tǒng)中的酶反應，并可將b-葡萄糖苷酶活性提高150–230%（Jeng等人，2011年）。這與臺灣稻瘟病菌的腹部結腸部分的Mn2+濃度顯著高于其他腸道部分的情況相符，在那里也觀察到b-葡萄糖苷酶的優(yōu)先富集（Liu等人，2011年）。此外，臺灣褐飛虱腸道系統(tǒng)的腹部和結腸部分相對較高的鐵濃度可能與氫化酶的活性密切相關，因為腸道微生物群產(chǎn)生的氫化酶需要結合鐵才能發(fā)揮功能（Ballo和Leadbetter，2011）。除此之外，之前的研究表明，在以木材為食的白蟻和以土壤為食的白蟻中，幾種微生物會減少鐵（III），這將導致腸道中的鐵（II）顯著集中。這種現(xiàn)象也在真菌生長的臺灣白蟻中觀察到（Li等人，正在準備）。鐵（III）作為一種潛在的電子庫，可能有助于臺灣褐飛虱腸道內(nèi)的微生物代謝和氧化還原電位。

白蟻巢穴中的真菌梳作為一個外共生系統(tǒng)（專性細菌和真菌的棲息地），協(xié)助木材預處理，以確保有效分解真菌生長白蟻的頑固性木質(zhì)纖維食物基質(zhì)。問題在于白蟻如何能夠抑制土壤中或工蟻帶入巢穴的其他潛在細菌和真菌。臺灣褐飛虱在外共生真菌中優(yōu)先積累金屬離子，這可能會使外共生微生物受到壓力，從而保持真菌的無病性。另一方面，真菌中各種金屬離子的顯著濃度也可能與木質(zhì)素降解有關。例如，參與非酶芬頓反應的鐵是真菌木質(zhì)素降解的關鍵（Arantes et al.，2012）。除了鐵，其他金屬離子，如Ca2+、Mn2+和Cu2+也可能具有類似的功能，以協(xié)助生物質(zhì)轉化（Wei等人，2011年；Xu等人，2010年）。然而，還沒有關于這些金屬離子在腸道系統(tǒng)或真菌梳中的作用的信息報道。

5.結論

利用微電極系統(tǒng)，系統(tǒng)地研究了生長真菌的臺灣白蟻消化道的主要物理化學條件，特別是氧、pH、氧化還原電位和氫的軸向/徑向分布。結果表明，臺灣褐飛虱具有獨特的腸道微環(huán)境，其特點是氧氣濃度低，pH值中性，氧化還原電位相對較高，氫積累顯著，這可能意味著它更適合有效降解木材基質(zhì)的需要，以及腸道系統(tǒng)中的其他重要代謝產(chǎn)物。此外，該白蟻木質(zhì)纖維素分解系統(tǒng)中的13種不同金屬離子，包括巢穴外共生真菌梳和相關的巢穴土壤樣本，均通過ICP-MS進行了分析。結果表明，一些金屬離子在高濃度下選擇性累積，不僅在腸道系統(tǒng)中，但也存在于真菌梳子和土壤樣本中，這可能對木材降解過程中的一些酶反應至關重要。這項研究清楚地擴展了我們對生長真菌的白蟻O.formosanus的特定腸道微環(huán)境的了解，并有可能進一步闡明這種以木材為食的高等白蟻的木材分解機制，這種白蟻在其巢穴中生長的共生真菌的獨特輔助下分解木材。

致謝

我們感謝基爾大學（英國基爾）的法爾科·德里霍特博士改進了我們的手稿。中國自然科學基金（項目編號：31170611）、中國浙江省自然科學基金（項目編號：Z3100211）、江蘇高等學校重點學科建設項目資助的課題。