近日，我校生科院環(huán)境昆蟲(chóng)學(xué)課題組在昆蟲(chóng)學(xué)國(guó)際重要學(xué)術(shù)期刊Entomologia Generalis在線(xiàn)發(fā)表了題為“Unveiling a cost of mutualism involving insect-endosymbiont-microbe interactions.”的研究論文。該研究將昆蟲(chóng)宿主、共生菌和腸道菌群三者互作關(guān)系視為整體科學(xué)問(wèn)題，重點(diǎn)針對(duì)產(chǎn)毒菌基因組適應(yīng)進(jìn)化、腸道菌群與宿主適合度代價(jià)關(guān)聯(lián)分析等方面，全面解析該互作模式的分子基礎(chǔ)。這是繼該團(tuán)隊(duì)于2023年發(fā)表“梭毒隱翅蟲(chóng)與體內(nèi)產(chǎn)毒共生菌互利共生模式的內(nèi)在奧秘”論文后，在該研究方向的又一項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)。

種間互作關(guān)系是驅(qū)動(dòng)協(xié)同進(jìn)化與物種適應(yīng)的重要因素。產(chǎn)毒共生菌PPE定殖于雌性梭毒隱翅蟲(chóng)生殖系統(tǒng)中，其代謝產(chǎn)物“毒隱翅蟲(chóng)素”pederin保護(hù)宿主不被天敵捕食，形成一種互利共生關(guān)系。然而，在實(shí)驗(yàn)室飼養(yǎng)梭毒隱翅蟲(chóng)的過(guò)程中，感染PPE的雌蟲(chóng)適合度低于不感染雌蟲(chóng)，表現(xiàn)在發(fā)育歷期延長(zhǎng)、壽命縮短、體重顯著減輕（p=0.005）、體長(zhǎng)顯著縮短（p=0.009）、孵化率顯著降低（p=0.003）等。這說(shuō)明梭毒隱翅蟲(chóng)和產(chǎn)毒共生菌PPE的關(guān)系不僅體現(xiàn)在互利共生，而且存在宿主適合度代價(jià)，但該互作關(guān)系建立和適應(yīng)的內(nèi)在機(jī)制尚不明確。

本研究首次報(bào)道了PPE的基因組大小為6.66 Mb，包含6109個(gè)編碼序列，GC含量66.3%；共注釋到196個(gè)功能基因，共生菌基因組縮減現(xiàn)象不明顯，保留了大部分與氨基酸代謝相關(guān)的基因。PPE與銅綠假單胞菌Pseudomonas aeruginosa親緣關(guān)系最近。比較基因組學(xué)分析顯示pederin合成基因簇ped存在于多種不同起源的共生菌基因組中，存在基因水平轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，并能代謝產(chǎn)生多種pederin類(lèi)似化合物。

多種宿主體內(nèi)共生菌中pederin類(lèi)化合物生物合成基因的同源性比較

熒光原位雜交技術(shù)（FISH）顯示PPE主要分布于未使用抗生素處理的野生型品系雌蟲(chóng)生殖器官（卵巢和輸卵管），這也解釋了PPE的代謝產(chǎn)物pederin主要存在于雌蟲(chóng)體內(nèi)的原因。質(zhì)譜成像（MSI）顯示，pederin主要分布于雌蟲(chóng)毒腺和馬氏管，少量分布于腸道和輸卵管。根據(jù)pederin與PPE在宿主體內(nèi)呈差異分布的現(xiàn)象，推測(cè)PPE在雌蟲(chóng)生殖器官內(nèi)代謝產(chǎn)生毒素pederin后，一部分由某載體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)到毒腺保存，另一部分則進(jìn)入血淋巴系統(tǒng)，被馬氏管收集后通過(guò)中、后腸排泄，pederin不會(huì)對(duì)宿主造成直接傷害。

PPE和pederin在梭毒隱翅蟲(chóng)體內(nèi)差異分布使用16S rRNA 基因測(cè)序技術(shù)檢測(cè)野生型品系和

感染PPE品系的兩性成蟲(chóng)整體和不同器官（腸道、精巢、卵巢）的微生物多樣性，發(fā)現(xiàn)PPE感染影響宿主腸道菌群結(jié)構(gòu)。梭毒隱翅蟲(chóng)體內(nèi)微生物共聚類(lèi)到606個(gè)OTUs，隸屬于19門(mén)，33綱，70目，115科，203屬，422種，但其核心菌種類(lèi)較少，相對(duì)豐度>1%的只有6屬，分別是Apibacter，Sphingobacterium，PPE，Wolbachia，Bartonella和Dysgonomonas。回歸分析顯示，3屬腸道核心菌與PPE的相對(duì)含量呈顯著相關(guān)性。益生菌Apibacter與PPE呈極顯著負(fù)相關(guān)（p<0.0001），條件致病菌Bartonella與PPE呈極顯著正相關(guān)（p<0.0001），而可能調(diào)控宿主生殖能力的Wolbachia與PPE呈顯著負(fù)相關(guān)（p=0.045）。野生型與處理型雌蟲(chóng)腸道微生物群落多樣性與功能預(yù)測(cè)，從整體上看，野生型差異上調(diào)基因集中在A(yíng)BC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，pederin前體多聚酮化合物合成，P450合成通路等，處理型新陳代謝，長(zhǎng)壽調(diào)節(jié)、耐藥和免疫調(diào)控等通路。

野生型品系和感染品系雌蟲(chóng)腸道微生物群落多樣性與功能預(yù)測(cè)

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)的分析，提示PPE代謝產(chǎn)物pederin進(jìn)入宿主腸道后，重塑了腸道菌群結(jié)構(gòu)，影響了相關(guān)代謝反應(yīng)，這與宿主適合度代價(jià)之間存在潛在聯(lián)系。梭毒隱翅蟲(chóng)和產(chǎn)毒共生菌PPE的關(guān)系不僅體現(xiàn)在互利共生，而且存在宿主適合度代價(jià)，目前的共生模式可能是長(zhǎng)期的蟲(chóng)-菌互作（“防御-健康”權(quán)衡）下形成的平衡。

梭毒隱翅蟲(chóng)、產(chǎn)毒共生菌PPE和腸道菌群三者關(guān)系演示圖

此外，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)證實(shí)pederin可抑制細(xì)胞的有絲分裂, 阻礙蛋白質(zhì)與DNA的合成, 在癌癥治療及細(xì)胞生物學(xué)研究中有著重要意義?？梢酝ㄟ^(guò)揭示調(diào)控雌蟲(chóng)保菌的分子機(jī)制和PPE適應(yīng)性進(jìn)化特征，進(jìn)一步應(yīng)用到PPE的體外培養(yǎng)，獲得自然來(lái)源的pederin，降低這種抗癌藥物原料的獲取成本。本研究為蟲(chóng)-菌共生系統(tǒng)的研究提供生物模型和理論基礎(chǔ)，也對(duì)天然藥物獲取提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

2021級(jí)碩士生肖夢(mèng)琪和段飛宇為論文共同第一作者，蔣韋斌副教授為論文通訊作者。該研究由上海師范大學(xué)、墨爾本大學(xué)、上海動(dòng)物園和上海長(zhǎng)三角城市濕地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀(guān)測(cè)研究站等多家單位合作完成，并得到了上海市自然科學(xué)基金（No. 20ZR1440800）、上海市人才發(fā)展資金（No. 2019112）及上海師范大學(xué)科研項(xiàng)目（No. SK202143）的支持。

（供稿、圖片：生命科學(xué)學(xué)院）