維持特異腸道菌株，蜜蜂有何神奇手段
發(fā)布時(shí)間：
2023-08-31 00:00
北京時(shí)間2023年8月10日，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)教授周欣團(tuán)隊(duì)在國際知名學(xué)術(shù)期刊《美國科學(xué)院院刊》（PNAS）上發(fā)表論文，揭示了與蜜蜂健康密切相關(guān)的問題：蜜蜂如何選擇最適合的共生腸道菌？而這個(gè)問題也是演化生物學(xué)上的一個(gè)經(jīng)典難題。
蜂蜜是很多人心目中的健康食品，但蜜蜂本身的健康卻越來越令人擔(dān)憂。本世紀(jì)初，美國爆發(fā)了蜂群崩潰綜合癥，大量工蜂離開蜂巢后無故消失；過去百年間，我國本土的東方蜜蜂種群也大幅減少。
西方蜜蜂訪花（周欣攝）
近年來的研究發(fā)現(xiàn)，蜜蜂腸道內(nèi)生活著一些專有的細(xì)菌，在維持蜜蜂健康上起著重要作用。包括幫助蜜蜂抵抗病原微生物、降解花蜜中的有毒物質(zhì)、促進(jìn)蜜蜂的生長發(fā)育等。在三類已被人工飼養(yǎng)并用于農(nóng)作物傳粉的蜜蜂類群——蜜蜂屬、熊蜂屬、無刺蜂——的成蟲中，都具有相同的5類核心腸道菌屬。這些腸道菌的共同祖先就已經(jīng)與蜜蜂祖先形成了共生關(guān)系，在蜜蜂的演化中扮演了非常重要的角色。
不同種類的蜜蜂對(duì)腸道內(nèi)的核心菌群有著較高的選擇性，甚至可以精確到菌株級(jí)別。然而人們并不了解蜜蜂使用了什么神奇的手段來維持如此嚴(yán)格的宿主特異的腸道菌群結(jié)構(gòu)。
研究人員向蜜蜂體內(nèi)植入熊蜂來源的核心腸道菌Gilliamella菌株，發(fā)現(xiàn)蜜蜂表現(xiàn)出強(qiáng)烈的免疫反應(yīng)。接著他們采用基因干擾的方式讓蜜蜂免疫相關(guān)的基因不再工作。這時(shí)再次在蜜蜂腸道內(nèi)植入熊蜂來源的菌株時(shí)，熊蜂來源的菌量會(huì)顯著提高。
在這個(gè)過程中，團(tuán)隊(duì)識(shí)別到了蜜蜂免疫反應(yīng)起作用的關(guān)鍵化學(xué)物質(zhì)：活性氧（ROS）。當(dāng)蜜蜂在識(shí)別到異源菌株時(shí)，會(huì)觸發(fā)合成ROS的基因Duox的表達(dá)，接著釋放ROS作為強(qiáng)氧化劑殺菌。但蜜蜂自身的Gilliamella菌株不會(huì)導(dǎo)致Duox基因表達(dá)。
有趣的是，ROS作為強(qiáng)氧化劑，原本并非針對(duì)特定的病菌，而是具有廣譜殺菌能力，是許多昆蟲應(yīng)對(duì)腸道病原微生物感染的的第一道防線。那么，蜜蜂是如何利用這個(gè)“不太高級(jí)”的保守免疫途徑，實(shí)現(xiàn)了對(duì)異源菌株的精準(zhǔn)限制呢？
進(jìn)一步探究發(fā)現(xiàn)，異源菌株引發(fā)蜜蜂免疫反應(yīng)的一個(gè)關(guān)鍵物質(zhì)是前列腺素（PG）。推測(cè)當(dāng)異源菌株定植后，PG生成的有關(guān)基因表達(dá)量增高導(dǎo)致大量PG的生成，而PG上調(diào)了蜜蜂兩個(gè)重要的免疫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路——IMD和Toll通路上的基因表達(dá)，進(jìn)一步觸發(fā)Duox-ROS系統(tǒng)，達(dá)到清除異源菌株的效果。該過程也揭示了昆蟲中Duox-ROS系統(tǒng)的一種新型的調(diào)控機(jī)制。
蜜蜂通過調(diào)用免疫系統(tǒng)維持宿主特異腸道菌的模型。（Guo et al. 2023. PNAS）
“該項(xiàng)研究為我們解開了蜜蜂維持特異腸道菌株的機(jī)制，蜜蜂通過調(diào)用免疫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在精細(xì)的層面上識(shí)別近緣的異源菌株，并僅針對(duì)異源菌株調(diào)用免疫反應(yīng)，確保宿主與腸道共生菌之間緊密的共生關(guān)系。”論文通訊作者周欣對(duì)《中國科學(xué)報(bào)》說。
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