近日，我校生科院環境昆蟲學課題組在昆蟲學國際重要學術期刊Entomologia Generalis在線發表了題為“Unveiling a cost of mutualism involving insect-endosymbiont-microbe interactions.”的研究論文。該研究將昆蟲宿主、共生菌和腸道菌群三者互作關系視為整體科學問題，重點針對產毒菌基因組適應進化、腸道菌群與宿主適合度代價關聯分析等方面，全面解析該互作模式的分子基礎。這是繼該團隊于2023年發表“梭毒隱翅蟲與體內產毒共生菌互利共生模式的內在奧秘”論文后，在該研究方向的又一項重要發現。

種間互作關系是驅動協同進化與物種適應的重要因素。產毒共生菌PPE定殖于雌性梭毒隱翅蟲生殖系統中，其代謝產物“毒隱翅蟲素”pederin保護宿主不被天敵捕食，形成一種互利共生關系。然而，在實驗室飼養梭毒隱翅蟲的過程中，感染PPE的雌蟲適合度低于不感染雌蟲，表現在發育歷期延長、壽命縮短、體重顯著減輕（p=0.005）、體長顯著縮短（p=0.009）、孵化率顯著降低（p=0.003）等。這說明梭毒隱翅蟲和產毒共生菌PPE的關系不僅體現在互利共生，而且存在宿主適合度代價，但該互作關系建立和適應的內在機制尚不明確。

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

多種宿主體內共生菌中pederin類化合物生物合成基因的同源性比較

熒光原位雜交技術（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生殖器官（卵巢和輸卵管），這也解釋了PPE的代謝產物pederin主要存在于雌蟲體內的原因。質譜成像（MSI）顯示，pederin主要分布于雌蟲毒腺和馬氏管，少量分布于腸道和輸卵管。根據pederin與PPE在宿主體內呈差異分布的現象，推測PPE在雌蟲生殖器官內代謝產生毒素pederin后，一部分由某載體蛋白轉運到毒腺保存，另一部分則進入血淋巴系統，被馬氏管收集后通過中、后腸排泄，pederin不會對宿主造成直接傷害。

PPE和pederin在梭毒隱翅蟲體內差異分布使用16S rRNA 基因測序技術檢測野生型品系和

感染PPE品系的兩性成蟲整體和不同器官（腸道、精巢、卵巢）的微生物多樣性，發現PPE感染影響宿主腸道菌群結構。梭毒隱翅蟲體內微生物共聚類到606個OTUs，隸屬于19門，33綱，70目，115科，203屬，422種，但其核心菌種類較少，相對豐度>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的相對含量呈顯著相關性。益生菌Apibacter與PPE呈極顯著負相關（p<0.0001），條件致病菌Bartonella與PPE呈極顯著正相關（p<0.0001），而可能調控宿主生殖能力的Wolbachia與PPE呈顯著負相關（p=0.045）。野生型與處理型雌蟲腸道微生物群落多樣性與功能預測，從整體上看，野生型差異上調基因集中在ABC轉運蛋白，pederin前體多聚酮化合物合成，P450合成通路等，處理型新陳代謝，長壽調節、耐藥和免疫調控等通路。

野生型品系和感染品系雌蟲腸道微生物群落多樣性與功能預測

通過以上實驗的分析，提示PPE代謝產物pederin進入宿主腸道后，重塑了腸道菌群結構，影響了相關代謝反應，這與宿主適合度代價之間存在潛在聯系。梭毒隱翅蟲和產毒共生菌PPE的關系不僅體現在互利共生，而且存在宿主適合度代價，目前的共生模式可能是長期的蟲-菌互作（“防御-健康”權衡）下形成的平衡。

梭毒隱翅蟲、產毒共生菌PPE和腸道菌群三者關系演示圖

此外，現代醫學證實pederin可抑制細胞的有絲分裂, 阻礙蛋白質與DNA的合成, 在癌癥治療及細胞生物學研究中有著重要意義。可以通過揭示調控雌蟲保菌的分子機制和PPE適應性進化特征，進一步應用到PPE的體外培養，獲得自然來源的pederin，降低這種抗癌藥物原料的獲取成本。本研究為蟲-菌共生系統的研究提供生物模型和理論基礎，也對天然藥物獲取提供科學依據和技術支撐。

2021級碩士生肖夢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、墨爾本大學、上海動物園和上海長三角城市濕地生態系統國家野外科學觀測研究站等多家單位合作完成，并得到了上海市自然科學基金（No. 20ZR1440800）、上海市人才發展資金（No. 2019112）及上海師范大學科研項目（No. SK202143）的支持。

（供稿、圖片：生命科學學院）