微生物代谢互作通过色氨酸-AhR-UGT2轴增强草地贪夜蛾杀虫剂抗性的机制研究

《The ISME Journal》：Cooperative Microbial Metabolism Enhances Tryptophan-Mediated Insecticide Detoxification in the Fall Armyworm

本研究针对草地贪夜蛾(Spodoptera frugiperda)快速进化杀虫剂抗性的难题，创新性地揭示了肠道共生菌Enterococcus casseliflavus EMBL-3通过色氨酸代谢网络增强宿主抗药性的新机制。研究人员发现EMBL-3不仅能直接降解氯虫苯甲酰胺(chlorantraniliprole)，更重要的是通过补偿玉米饲料中的色氨酸(tryptophan)缺乏，经微生物群落交叉喂养(cross-feeding)转化为吲哚乙酸(indoleacetic acid, IAA)，激活宿主芳香烃受体(aryl hydrocarbon receptor, AhR)通路，上调解毒酶UDP-葡萄糖醛酸转移酶2(UGT2)表达。该研究首次阐明了EMBL-3-IAA-UGT2这一三级共生微生物代谢轴在杀虫剂抗性中的核心作用，为靶向微生物代谢节点的害虫防控新策略提供了理论框架。

　　

在全球农业害虫防治领域，草地贪夜蛾(Spodoptera frugiperda)的肆虐已成为严峻挑战。这种害虫不仅繁殖力惊人、传播迅速，更令人担忧的是，它们对47种杀虫剂产生了抗性，使得传统防控手段逐渐失效。虽然寄主遗传适应（如解毒酶过表达和靶位点突变）已被广泛研究，但这些寄主中心的理论难以完全解释田间种群抗性发展的快速性和变异性。这一认知缺口提示我们：非寄主因素，特别是共生微生物，可能在昆虫适应过程中扮演着关键角色。

以往研究多关注微生物直接降解杀虫剂的能力，但微生物能否通过营养补充等间接方式调控寄主解毒可塑性，尤其是色氨酸这一昆虫必需氨基酸的代谢途径，尚不明确。对于主要以玉米为食的草地贪夜蛾而言，色氨酸双重匮乏——动物自身不能合成，而玉米中含量又极低——使得微生物来源的色氨酸可能成为其生理发育和抗性进化的关键限制因子。在此背景下，西湖大学鞠峰研究员团队在《The ISME Journal》上发表了创新性研究成果，揭示了肠道共生菌Enterococcus casseliflavus EMBL-3通过色氨酸代谢网络介导杀虫剂抗性的新机制。

研究人员综合运用多组学分析、同位素标记、CRISPR/Cas9基因编辑等关键技术方法，通过对中国8个省份田间采集的草地贪夜蛾进行宏基因组测序（获得90个高质量宏基因组组装基因组），结合靶向代谢组学、分子对接模拟和体内外功能验证，系统解析了微生物-宿主互作网络。

EMBL-3通过代谢产物介导杀虫剂抗性

研究发现，EMBL-3对氯虫苯甲酰胺的降解作用仅能部分解释其增强宿主抗性的现象。通过比较暴露于EMBL-3预降解杀虫剂与感染EMBL-3的草地贪夜蛾的存活率，发现后者显著更高（P=0.01），表明存在除直接降解外的其他机制。代谢组学分析显示，EMBL-3感染显著改变了宿主体内苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成途径的代谢物谱。基因组注释进一步揭示，只有EMBL-3拥有完整的色氨酸合成通路，而寄主和对照菌EMBL-1均缺乏关键基因。¹³C标记实验证实，EMBL-3能在5天内提供宿主所需色氨酸的11.54%。

微生物依赖的色氨酸代谢物促进抗性

建立无菌草地贪夜蛾模型后，研究发现色氨酸补充仅能提高野生型（24.0%，P=0.034）而非无菌个体的杀虫剂耐受性，表明该过程依赖宿主 microbiota。在三种色氨酸代谢物中，吲哚乙酸(IAA)和5-羟基吲哚乙酸(5-HIAA)能显著增强抗性，而犬尿氨酸无此效果。靶向代谢组学进一步确认IAA而非5-HIAA是EMBL-3感染个体中显著上调的关键代谢物。

三重肠道微生物依赖途径将色氨酸转化为IAA

宏基因组分析发现，90个MAGs中70%具有将色氨酸代谢为IAA的潜力，主要通过三条微生物依赖途径：途径I（色氨酸→IAM→IAA）、途径II（色氨酸→IPyA→IAA）和途径III（色氨酸→TRM→IAA）。其中Enterococcus casseliflavus（EMBL-3类似菌）是主要的色氨酸生产者，而Klebsiella variicola等菌株负责将色氨酸转化为IAA。

微生物交叉喂养增强抗性

分离获得Stenotrophomonas sp. (EMBL-SM)菌株，其拥有完整的途径II和III相关酶系。共培养实验证明EMBL-SM能利用EMBL-3产生的色氨酸生成IAA。体内实验显示，EMBL-3与EMBL-SM共感染能最大程度恢复无菌个体的杀虫剂抗性，证实了微生物交叉喂养在抗性中的核心作用。

IAA通过激活AhR-UGT2通路促进抗性

代谢组-转录组关联分析显示微生物代谢物显著重塑宿主基因表达（P=0.009）。分子对接表明IAA与AhR结合能低至-7.5 kcal/mol。AhR抑制剂处理完全消除了EMBL-3和/或EMBL-SM介导的抗性。转录组分析发现UGT2和CYP6b6在EMBL-3感染和杀虫剂暴露下显著上调。通过CRISPR/Cas9成功敲除UGT2基因后，草地贪夜蛾对氯虫苯甲酰胺的LC₅₀从38.61 mg/L降至16.29 mg/L，且IAA和EMBL-3介导的抗性完全消失。

该研究首次揭示了EMBL-3-IAA-UGT2这一三级解毒轴：EMBL-3作为关键色氨酸供应商，交叉喂养菌将其转化为IAA，激活AhR信号通路，进而上调UGT2表达。这种微生物分工协作将杀虫剂抗性从寄主遗传适应拓展至微生物代谢网络层面。研究不仅阐明了草地贪夜蛾在色氨酸匮乏的玉米环境中快速进化抗性的生态适应机制，更提出了靶向EMBL-3-IAA代谢枢纽的精准防控新策略，如噬菌体工程化、共生菌群编辑等，为可持续害虫管理提供了创新思路。