双转录组学揭示谷象虫共生细胞功能特化及营养胁迫下的差异化响应机制

本研究针对谷象虫(Sitophilus oryzae)与专性内共生菌Sodalis pierantonius的互作机制，通过激光捕获显微切割(LCM)和双RNA测序技术，首次解析了共生细胞(bacteriocyte)的功能分化和代谢重编程特征。研究发现外周/中央共生细胞分别主导氨基酸代谢和囊泡运输，揭示了内共生菌通过调控宿主脂肪酸代谢和细胞多倍化增强宿主适应性的分子机制，为理解昆虫-微生物跨界代谢工厂的构建原理提供了新视角。

　　

在自然界中，许多以营养不均衡食物为生的昆虫都进化出了与内共生菌(intracellular symbiotic bacteria)的长期共生关系。这种互作能补充宿主缺乏的营养物质，显著提升其生理功能。谷象虫(Sitophilus oryzae)作为完全以谷物为食的仓储害虫，其饮食中富含碳水化合物但缺乏必需氨基酸和维生素。这种特殊的营养需求使其与内共生菌Sodalis pierantonius形成了典型的营养共生关系。然而，共生细胞如何通过功能分化实现代谢互补？环境营养变化又如何影响这种精密互作？这些问题始终是昆虫共生生物学领域的未解之谜。

法国国家农业食品与环境研究院(INRAE)的研究团队在《Microbiome》发表的重要研究中，创新性地结合激光捕获显微切割(LCM)和双RNA测序技术，首次在单细胞分辨率下揭示了谷象虫共生器官的细胞异质性和分子调控网络。研究选取3日龄成虫为模型，这一时期正是内共生菌数量激增且参与宿主表皮合成的关键阶段。

研究团队运用了四项核心技术：冷冻切片与荧光原位杂交(FISH)定位共生细胞亚型；高压冷冻透射电镜(HPF-TEM)解析超微结构；激光显微切割分离外周/中央共生细胞及上皮细胞；双RNA测序分析宿主-共生菌转录组互作。通过比较共生与无菌(aposymbiotic)个体的中肠盲囊(mesenteric caeca)，揭示了共生依赖的细胞重编程现象。

共生器官由功能特化的细胞群体构成

通过冷冻切片和FISH技术发现，成虫共生器官包含四种细胞类型：位于顶端的祖细胞(progenitor cells)、富含共生菌的外周共生细胞(peripheral bacteriocytes)、菌量较少的中央共生细胞(central bacteriocytes)和基底上皮细胞(epithelial cells)。有趣的是，无菌个体中仍存在形态独特的盲囊细胞(caeca cells)，表明内共生菌并非细胞分化的唯一决定因素。

共生菌重塑宿主代谢网络

双RNA测序显示，与无菌细胞相比，外周共生细胞中1269个宿主基因表达上调，包括11个精氨酸代谢相关基因和8个酪氨酸代谢基因。中央共生细胞则特异性高表达小G蛋白(Rho/Rab GTPases)和微管蛋白基因，电镜观察到其富含早期内体(Rab5⁺)和晚期内体(Rab7⁺)囊泡，提示其承担营养物质转运枢纽的功能。

多倍化提升代谢效能

共生细胞中细胞周期素(cyclins)和复制起始复合体(pre-RC)基因显著上调，而内周期转换关键调控因子Fizzy-related(Fzr)表达受抑。这种转录特征与电镜观察到的巨大核仁相吻合，证实了共生细胞通过内复制(endoreplication)形成多倍体，为大规模代谢活动提供物质基础。

营养胁迫引发跨界代谢重编程

在纯淀粉饮食下，共生菌上调386个基因（包括氨基酸代谢相关基因）以补偿宿主营养缺失；而饥饿状态下，共生菌出现膜结构损伤且1220个基因（含必需氨基酸合成基因）表达受抑。这种动态响应解释了为何淀粉饮食延长共生维持期，而饥饿加速共生崩溃的生态现象。

该研究首次绘制了昆虫共生器官的单细胞转录图谱，阐明中央共生细胞作为"代谢指挥中心"通过囊泡运输协调营养物质分配的新机制。发现的多倍体驱动代谢增效规律，为理解内共生系统的进化优势提供了分子依据。更值得注意的是，研究揭示了年轻共生体系（约3万年进化史）仍保留显著的代谢可塑性，这一发现为设计基于共生调控的害虫治理策略提供了新思路。法国团队建立的LCM-双RNA测序技术框架，也为研究其他宿主-微生物互作系统提供了方法学范式。