极端杂食性昆虫美洲大蠊对纤维素和几丁质的差异化代谢策略及其生态适应意义

本研究针对极端杂食性昆虫美洲大蠊（Periplaneta americana）对自然界最丰富的两种多糖（纤维素和几丁质）的代谢能力展开研究。通过喂食13C标记底物，发现其优先代谢几丁质且存在性别和发育阶段特异性分配模式，揭示了营养利用的进化适应策略，为理解Blattodea目昆虫的生态成功提供新视角。

　　

在自然界中，纤维素（cellulose）和几丁质（chitin）作为最丰富的两种结构多糖，分别构成植物细胞壁和无脊椎动物外骨骼的主要成分。尽管它们蕴藏巨大能量，但绝大多数生物难以直接利用这些复杂聚合物。美洲大蠊（Periplaneta americana）作为著名的极端泛食性昆虫，其"无所不吃"的生存能力背后，是否隐藏着高效代谢这两种多糖的生理机制？这个问题长期困扰着昆虫生理学家。先前研究虽检测到该物种消化道内的纤维素酶（cellulase）和几丁质酶（chitinase）活性，但缺乏活体（in vivo）代谢证据，且不同发育阶段和性别间的营养分配策略更是一片空白。发表在《Journal of Insect Physiology》的这项研究，首次通过稳定同位素标记技术揭示了这种顽固害虫独特的"分子菜单"选择策略。

研究团队采用¹³C标记的纤维素和几丁质，结合呼吸代谢测定（respirometry）和组织同位素分析技术，系统比较了成虫（分雌雄）和若虫的代谢差异。实验个体来自实验室种群，通过CRDS（腔衰荡光谱）稳定碳同位素分析仪精确测定呼出CO₂和组织中的δ¹³C值。

3.1 多糖消耗

数据显示雌性成虫摄入量显著高于雄性和若虫，且存在多糖类型偏好：雌性和若虫更倾向选择含几丁质饲料，而雄性偏好纤维素。这种差异可能与不同发育阶段的能量需求相关。

3.2 多糖代谢

呼吸代谢测定揭示关键发现：几丁质代谢速率显著高于纤维素（P < 0.0001），且成虫代谢能力强于若虫。粪便分析显示大量未利用的多糖被排出，表明在碳水化合物充足条件下，这些结构多糖并非高效能量来源。

3.3 体内分配

组织同位素图谱呈现显著差异：几丁质衍生的¹³C广泛分布于各组织，而纤维素几乎未被吸收。若虫将更多几丁质碳分配至肌肉组织（支持生长发育），雌性则优先供给脂肪体和卵巢（繁殖投资），雄性睾丸中含量最低。值得注意的是，脑组织中同位素水平无性别差异，提示基本生理功能的营养需求相对恒定。

这项研究首次在活体水平证实美洲大蠊具备同时代谢两种多糖的能力，但表现出强烈的几丁质偏好性。这种选择可能源于几丁质更高的碳氮比（C₈H₁₃NO₅ vs 纤维素C₆H₁₀O₅）和营养价值。研究还揭示了发育程序化的营养分配策略：若虫侧重生长投资，成虫转向繁殖分配。尽管存在代谢潜力，但在单糖丰富的饮食条件下（实验采用蜂蜜基质），两种多糖的利用率仍较低，暗示其消化可能受营养状态调控——这与早期发现的饥饿可诱导纤维素酶活性的现象吻合。

该成果为理解泛食性昆虫的生态适应提供了新视角：美洲大蠊可能通过动态调节多糖代谢酶系来应对食物短缺，这种代谢灵活性或是其成为成功入侵物种的关键。未来研究需明确内源酶与共生微生物的贡献比例，并探索在纯多糖饮食下的生存能力。从进化角度看，将本研究与专食性白蚁（termites）的比较，可能揭示Blattodea目昆虫营养策略的分化路径。在应用层面，针对几丁质代谢通路的干预或为新型害虫防控提供靶点。