充满抗生素的粪便如何帮助“bessbug”甲虫保持健康

研究人员发现，有角的帕萨罗斯甲虫体内含有大量抗生素和抗真菌化学物质，与人类用来抵御细菌和真菌感染的化学物质类似。了解bessbug甲虫、放线菌及其抗菌化合物之间的共生关系，有助于加速寻找新的抗生素药物，有助于医生制定更好的策略，防止耐药性感染的上升。

　　

有角的帕萨卢斯甲虫，俗称贝斯堡甲虫或贝齐甲虫，其生活方式可能会让普通人觉得彻头彻尾的恶心：这种闪亮的黑色甲虫吃自己的粪便，但是，它用粪便来排列生活空间的墙壁，并帮助在发育中的幼体周围建立起保护室。

尽管看起来很恶心，但一项新的研究表明，这种甲虫的frass习性实际上是保护昆虫健康的聪明策略的一部分，并可能有助于为人类医学提供信息，加州大学伯克利分校的研究人员也发现，有角的帕萨罗斯甲虫体内含有大量抗生素和抗真菌化学物质，与人类用来抵御细菌和真菌感染的化学物质类似。这些化合物是由一种叫做放线菌的有益细菌产生的，放线菌生活在甲虫体内，通过噬粪过程（吃粪便的术语）从甲虫传给甲虫，从甲虫传给群体，研究人员说，放线菌及其抗菌化合物有助于加速寻找新的抗生素药物，并有助于医生制定更好的策略，防止耐药性感染的增加。

“人类服用的大多数抗生素和抗真菌药物实际上是由微生物制成的，研究报告的资深作者、加州大学伯克利分校植物和微生物生物学助理教授马修·特拉克斯勒说：“我们对微生物如何在环境中利用这些分子非常感兴趣。”当科学家们发现一种新的抗生素并将其引入临床时，通常只需要几年时间，病原菌群体就开始产生抗生素耐药性。但是这些微生物使用相同的分子已经有数百万年的历史了，这告诉我们微生物使用分子的方式与我们使用分子的方式不同。”

随着这一发现，bessbug甲虫加入了其他一些昆虫，包括切叶蚁、南方松甲虫和蜂狼，或者是蜜蜂杀手黄蜂，这得益于与放线菌的共生关系。剪叶蚁和蜂狼甚至在它们的身体里——分别在胸部和触角里——进化出特殊的结构来携带这些微生物。

在贝斯堡甲虫身上还没有发现藏匿细菌的特殊结构，但这可能是这种甲虫的优势所在。虽然已知蚂蚁和黄蜂各自只与一种特定的放线菌有关，但研究人员确定了30多种放线菌与bessbug甲虫“廊道”（bessbug beetle）有关，这些廊道是它们生活的死原木内挖空的地道。bessbug甲虫frass中放线菌的多样性增加，似乎有助于其画廊中保护性抗生素和抗真菌药物的多样性增加。

“我们从美国南部和东部的画廊收集了样本，几乎所有的画廊，我们都能检测到某种形式的抗生素。这真是令人惊讶，因为这些化合物通常很难在环境中检测到，”研究的主要作者丽塔·德·卡西亚·佩索蒂说，她是加州大学伯克利分校的博士后研究员，完成了这项研究我们认为，我们看到了更大的分子多样性，因为细菌的种类也更为多样化。”

抗生素和抗真菌化合物的多样性都是协同工作的，这可能是这些化学物质能够在对抗病原体的进化战中保持领先地位的原因之一，研究人员说：“当人类服用抗生素治疗疾病时，我们通常只服用一种分子，这意味着我们对抗的任何病原体只需对一种化合物产生抗药性，”特拉克斯勒说但是在这些画廊里，有各种各样的分子可以让病原体克服。除此之外，有时这些分子可以协同工作，这意味着当它们结合在一起对抗一种特定的病原体时，它们变得更加有效。这使得病原体很难比它们聪明，即使在生态和进化的时间跨度内也是如此，贝斯堡甲虫复杂的消化系统已经引起了劳伦斯伯克利国家实验室研究科学家哈维尔·切亚·纳瓦罗和伊恩·布罗迪的注意。Ceja Navarro和Brodie对这种甲虫能够将木质素和纤维素等坚韧、难以消化的植物聚合物转化为营养丰富的frass的能力很感兴趣，这种消化过程可以激发出将木质副产品转化为有用的生物燃料的新方法。为了研究这个过程，Ceja Navarro和Brodie在他们的实验室里建立了一个活跃的bessbug甲虫画廊。

Traxler和Pessotti正在寻找一种研究野生放线菌细菌的方法，并了解到放线菌已经被发现生活在与bessbug甲虫密切相关的热带甲虫的内脏中。他们决定询问他们的朋友和同事Ceja Navarro和Brodie，他们是否能检测甲虫体内的细菌。

“我从甲虫和它们的画廊里收集了样本，我甚至用一些缓冲液清洗了甲虫的嘴，看看里面有什么——不管样本来自哪里，我总是发现同样种类的链霉菌，一种放线菌，佩索蒂说我们很惊讶这种情况如此普遍。”

这种链霉菌并非Ceja Navarro甲虫所独有。佩索蒂发现，她可以在网上邮购贝斯布格甲虫——“如果你想养一只宠物甲虫，你可以，”她说——并发现这些甲虫最初来自乔治亚州和北卡罗来纳州，也携带同样种类的链霉菌，为了最终说服特拉克斯勒和佩索蒂相信贝斯布格甲虫可以为放线菌的研究提供理想的系统，他们去了俄克拉荷马州。特拉克斯勒在脸书上看到了他表兄在俄克拉荷马州后院的一个甲虫画廊的照片后，佩索蒂飞到了该州，从野外采集了她的第一组甲虫样本。

果然，俄克拉何马甲虫藏匿着现在人们所熟悉的链霉菌种类。“这一发现使我们有勇气走出去进行这一巨大的取样之旅，这本身就是一个巨大的壮举，”特拉克斯勒说丽塔来自巴西，但在这一点上，我想她可能访问了比我更多的美国各州。”

佩索蒂花了一个月的时间纵横交错在美国东南部，跋涉在森林中寻找甲虫画廊，收集样本带回伯克利的实验室。最后，她从分布在11个州的22家画廊中采集了样本。

除了管理后勤方面的挑战，比如在最后一刻重新安排行程以避开飓风佛罗伦萨，佩索蒂还必须自学如何在森林底部的碎石中发现甲虫画廊。一开始，她充分利用了手机应用程序iNaturalist，在该应用程序中，博物学家和非专业人士都可以上传植物和动物的照片和描述，并将其地理标记到自己的位置。

她很快了解到，找到贝斯堡甲虫画廊的关键是，佩索蒂说：“你不需要到森林里去很远的地方就可以找到甲虫画廊——实际上我在小径旁边找到了一些。”通常，你可以看到圆木表面的小洞，上面有碎片，还有遍布圆木和地面的碎片。如果你在原木上看到弗拉斯的痕迹，这就很好地暗示了里面可能有甲虫。”

实验室里的粪便的保护力，Pessotti从她的画廊样本中分离出300多株放线菌，并检测出除一株以外的所有放线菌中的抗真菌和抗生素化合物。

在前加州大学伯克利分校本科生Jewel Reaso的帮助下，佩索蒂还设计了一个特别的实验来证实放线菌确实有助于保护甲虫免受感染。在试验中，Pessotti将灭菌的甲虫frass与从试管内甲虫廊道分离的链霉菌株混合。然后，她把弗劳斯暴露在她野外考察时收集到的一种真菌甲虫病原体下，观察了一周内发生的事情。

“我非常幸运，在这次旅行中，我发现一只死甲虫躺在一根木头上——就像甲虫在等我一样。佩索蒂说：“这种死甲虫身上有一种白色/绿色的物质，我认为可能是某种真菌。”所以，我把这只死甲虫带到实验室，分离出了绿/白物质的微生物，结果发现它是绿僵菌的一个菌株，一种能杀死昆虫的真菌病原体。”

Pessotti的实验表明，与链霉菌混合的灭菌菌比单独灭菌菌更能抵抗金龟子绿僵菌的生长，即使在类似腐烂原木的温暖潮湿条件下。她的发现证实了放线菌产生的抗生素和抗真菌分子实际上可以，有助于抵御在野外发现的甲虫病原体。

这一研究结果为贝斯堡甲虫与自己粪便的密切关系提供了新的线索：当甲虫用弗拉斯在其廊道上划线，并在发育中的幼虫周围建造保护室时，他们实际上是在保护自己免受真菌和细菌病原体的侵害，否则这些病原体可能会在他们建造家园的腐烂原木中茁壮成长。当甲虫吃掉它们自己的食物，并将其喂给它们的幼仔时，它们正在确保这些细菌能够附着在周围，造福新一代。

特拉克斯勒计划继续研究与甲虫画廊相关的微生物群落，以更好地了解两者

Journal Reference:

1. Rita de Cassia Pessotti, Bridget L Hansen, Jewel N Reaso, Javier A Ceja-Navarro, Laila El-Hifnawi, Eoin L Brodie, Matthew F Traxler. Multiple lineages of Streptomyces produce antimicrobials within passalid beetle galleries across eastern North America. eLife, 2021; 10 DOI: 10.7554/eLife.65091