社会性甲虫巢穴空间组织抑制病原传播的机制研究：真菌共生与空间隔离的双重防御策略

本研究针对社会性真菌养殖甲虫Xyleborus affinis面临的高密度巢穴传染病风险，揭示了其独特的巢穴空间组织策略：病原体Metarhizium anisopliae感染的个体集中分布于巢穴上层，而健康个体和后代则聚集在中下层。研究发现共生真菌Neocosmospora sp. Xa1能显著抑制病原生长，这种空间隔离与微生物互作的协同机制为理解社会昆虫疾病防控提供了新视角。

　　

在自然界中，社会性昆虫如蚂蚁、蜜蜂和白蚁通过复杂的群体免疫机制应对传染病威胁，但同为社会性昆虫的食菌小蠹虫（Ambrosia beetles）的防御策略却鲜为人知。这类甲虫在树木木质部构建密集的巢穴系统，培育专属真菌作为食物来源，其封闭的生活环境理论上应成为传染病传播的温床。然而令人困惑的是，尽管存在高密度接触，食菌小蠹虫群体却能有效抵御病原侵袭，这种矛盾现象背后的机制一直未被阐明。

美国伊利诺伊大学芝加哥分校（University of Illinois, Chicago）的研究团队以甘蔗穿孔小蠹虫（Xyleborus affinis）为模型，探究了昆虫病原真菌金龟子绿僵菌（Metarhizium anisopliae）在其群体中的传播规律。研究发现，虽然健康个体不会主动避开染病同伴，且接触增加会导致死亡率上升和后代减少，但巢穴内存在显著的空间分层现象：染病个体和病原菌集中在巢穴上层，而存活成虫和后代则分布于中下层区域。更令人惊讶的是，即便初始群体全部被感染，仍能产生健康后代。研究还鉴定出一种甲虫共生真菌——新赤壳菌（Neocosmospora sp. Xa1），证实其能有效抑制金龟子绿僵菌的生长。这些发现揭示了空间组织结构和微生物互作共同构成的"双重防御系统"，为理解社会性昆虫的疾病防控机制提供了全新范式。

研究人员采用多学科技术手段开展研究：通过标准生物测定法评估病原真菌毒力；利用荧光显微技术观察感染过程；建立人工巢穴系统模拟自然感染场景；采用分区采样和选择性培养基定量分析病原分布；结合分子系统学方法鉴定共生真菌；最后通过体外共培养实验验证微生物拮抗作用。

感染动态与水平传播

实验证实金龟子绿僵菌能有效感染并杀死X. affinis成虫，在滤纸和巢穴基质中均显示相似致死效果。水平传播实验显示，健康个体虽不回避染病同伴，但接触增加会导致死亡率显著升高。巢穴环境中，初始感染比例与群体死亡率呈正相关，当10/25个体被感染时，25天后死亡率达60%。

空间组织模式

巢穴解剖显示明显的空间分层：>90%的死亡个体集中在巢穴上层，而存活成虫主要分布在中部（60-70%）。幼虫和蛹几乎全部出现在中下层，即便初始群体全部感染时仍能产生后代。金龟子绿僵菌菌落形成单位（CFUs）的分布同样呈现上层富集特征，中层CFUs仅为上层的1/10。

共生真菌的拮抗作用

从健康巢穴中分离出的新赤壳菌Xa1在体外显示出对金龟子绿僵菌的显著抑制效果，在甲虫巢穴基质中的抑制效应尤为突出。该菌产生的代谢物能使金龟子绿僵菌CFUs减少50-80%，对另一种病原真菌球孢白僵菌（Beauveria bassiana）也有类似抑制作用。

这项研究首次系统揭示了食菌小蠹虫应对传染病的三重防御机制：行为层面通过空间隔离限制病原扩散；生理层面依赖共生微生物抑制病原生长；群体层面通过保障后代存活维持种群延续。特别值得注意的是，这种防御策略不依赖于复杂的社会等级制度，而是通过基本的空间组织实现，为理解简单社会性昆虫的适应性进化提供了重要案例。从应用角度看，研究结果对开发基于微生物互作的害虫防控策略具有启示意义，同时也为解释这类入侵性害虫的生态成功提供了新视角。该发现拓展了我们对"社会免疫力"概念的理解，表明除蚂蚁、蜜蜂等高等社会性昆虫外，相对简单的社会系统也能演化出有效的传染病防控策略。