生科学院团队揭示梭毒隐翅虫、产毒共生菌和肠道菌群的互作模式

近日，我校生科院环境昆虫学课题组在昆虫学国际重要学术期刊Entomologia Generalis在线发表了题为“Unveiling a cost of mutualism involving insect-endosymbiont-microbe interactions.”的研究论文。该研究将昆虫宿主、共生菌和肠道菌群三者互作关系视为整体科学问题，重点针对产毒菌基因组适应进化、肠道菌群与宿主适合度代价关联分析等方面，全面解析该互作模式的分子基础。这是继该团队于2023年发表“梭毒隐翅虫与体内产毒共生菌互利共生模式的内在奥秘”论文后，在该研究方向的又一项重要发现。

种间互作关系是驱动协同进化与物种适应的重要因素。产毒共生菌PPE定殖于雌性梭毒隐翅虫生殖系统中，其代谢产物“毒隐翅虫素”pederin保护宿主不被天敌捕食，形成一种互利共生关系。然而，在实验室饲养梭毒隐翅虫的过程中，感染PPE的雌虫适合度低于不感染雌虫，表现在发育历期延长、寿命缩短、体重显著减轻（p=0.005）、体长显著缩短（p=0.009）、孵化率显著降低（p=0.003）等。这说明梭毒隐翅虫和产毒共生菌PPE的关系不仅体现在互利共生，而且存在宿主适合度代价，但该互作关系建立和适应的内在机制尚不明确。

本研究首次报道了PPE的基因组大小为6.66 Mb，包含6109个编码序列，GC含量66.3%；共注释到196个功能基因，共生菌基因组缩减现象不明显，保留了大部分与氨基酸代谢相关的基因。PPE与铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa亲缘关系最近。比较基因组学分析显示pederin合成基因簇ped存在于多种不同起源的共生菌基因组中，存在基因水平转移现象，并能代谢产生多种pederin类似化合物。

多种宿主体内共生菌中pederin类化合物生物合成基因的同源性比较

荧光原位杂交技术（FISH）显示PPE主要分布于未使用抗生素处理的野生型品系雌虫生殖器官（卵巢和输卵管），这也解释了PPE的代谢产物pederin主要存在于雌虫体内的原因。质谱成像（MSI）显示，pederin主要分布于雌虫毒腺和马氏管，少量分布于肠道和输卵管。根据pederin与PPE在宿主体内呈差异分布的现象，推测PPE在雌虫生殖器官内代谢产生毒素pederin后，一部分由某载体蛋白转运到毒腺保存，另一部分则进入血淋巴系统，被马氏管收集后通过中、后肠排泄，pederin不会对宿主造成直接伤害。

PPE和pederin在梭毒隐翅虫体内差异分布使用16S rRNA 基因测序技术检测野生型品系和

感染PPE品系的两性成虫整体和不同器官（肠道、精巢、卵巢）的微生物多样性，发现PPE感染影响宿主肠道菌群结构。梭毒隐翅虫体内微生物共聚类到606个OTUs，隶属于19门，33纲，70目，115科，203属，422种，但其核心菌种类较少，相对丰度>1%的只有6属，分别是Apibacter，Sphingobacterium，PPE，Wolbachia，Bartonella和Dysgonomonas。回归分析显示，3属肠道核心菌与PPE的相对含量呈显著相关性。益生菌Apibacter与PPE呈极显著负相关（p<0.0001），条件致病菌Bartonella与PPE呈极显著正相关（p<0.0001），而可能调控宿主生殖能力的Wolbachia与PPE呈显著负相关（p=0.045）。野生型与处理型雌虫肠道微生物群落多样性与功能预测，从整体上看，野生型差异上调基因集中在ABC转运蛋白，pederin前体多聚酮化合物合成，P450合成通路等，处理型新陈代谢，长寿调节、耐药和免疫调控等通路。

野生型品系和感染品系雌虫肠道微生物群落多样性与功能预测

通过以上实验的分析，提示PPE代谢产物pederin进入宿主肠道后，重塑了肠道菌群结构，影响了相关代谢反应，这与宿主适合度代价之间存在潜在联系。梭毒隐翅虫和产毒共生菌PPE的关系不仅体现在互利共生，而且存在宿主适合度代价，目前的共生模式可能是长期的虫-菌互作（“防御-健康”权衡）下形成的平衡。

梭毒隐翅虫、产毒共生菌PPE和肠道菌群三者关系演示图

此外，现代医学证实pederin可抑制细胞的有丝分裂, 阻碍蛋白质与DNA的合成, 在癌症治疗及细胞生物学研究中有着重要意义。可以通过揭示调控雌虫保菌的分子机制和PPE适应性进化特征，进一步应用到PPE的体外培养，获得自然来源的pederin，降低这种抗癌药物原料的获取成本。本研究为虫-菌共生系统的研究提供生物模型和理论基础，也对天然药物获取提供科学依据和技术支撑。

2021级硕士生肖梦琪和段飞宇为论文共同第一作者，蒋韦斌副教授为论文通讯作者。该研究由上海师范大学、墨尔本大学、上海动物园和上海长三角城市湿地生态系统国家野外科学观测研究站等多家单位合作完成，并得到了上海市自然科学基金（No. 20ZR1440800）、上海市人才发展资金（No. 2019112）及上海师范大学科研项目（No. SK202143）的支持。

（供稿、图片：生命科学学院）