基于氨基酸氮同位素分析揭示宿主-寄生虫互作中的营养动力学与代谢通路机制

本研究通过氨基酸氮同位素分析（δ15N-AA）技术，系统探究了棘鱼与绦虫（Schistocephalus solidus）宿主-寄生虫系统中的营养传递与代谢路径。研究发现寄生虫与宿主肝脏组织代谢高度协同，丝氨酸和丙氨酸等关键氨基酸的显著同位素分馏揭示了寄生虫特有的葡萄糖生成及免疫调节机制，为理解寄生生态系统中能量流动和营养关系提供了新视角。

　　

在生态系统中，寄生虫长期以来被忽视，但其对食物网结构和能量流动具有深远影响。传统食物网研究多聚焦于捕食者-猎物关系，而寄生相互作用导致的营养传递和代谢变化尚未得到充分探索。尤其寄生虫依赖宿主营养，具有特化的代谢策略，能够改变宿主的能量利用方式、表观营养级位置，并引入非传统的营养流动路径。稳定同位素分析已成为研究食物网动态的重要工具，其中氮稳定同位素（δ¹⁵N）可用于揭示营养关系和能量转移途径。然而，传统的整体稳定同位素分析（Bulk-SIA）假设每个营养级存在约3.4‰的δ¹⁵N富集，这一标准在宿主-寄生虫系统中常出现显著偏差。化合物特异性同位素分析（CSIA）通过分离特定化合物（如氨基酸）来更精确追踪分子交换，为研究宿主-寄生虫互作提供了新的技术路径。

在此背景下，研究人员以三刺棘鱼（Gasterosteus aculeatus）和其绦虫寄生虫（Schistocephalus solidus）为模型系统，开展了为期120天的控制投喂实验，利用氮同位素分析技术探究了寄生虫代谢途径、宿主-寄生虫营养动力学以及感染与未感染宿主间的同位素分馏效应。该研究通过分析宿主肝脏、肌肉组织及寄生虫的氨基酸δ¹⁵N值，揭示了营养分馏、代谢路径及其时间动态变化，相关成果发表在《Scientific Reports》上。

研究采用了感染实验与稳定同位素技术相结合的方法。实验用鱼为实验室培育的三刺棘鱼，分为感染组和对照组，感染组通过喂食含绦虫幼虫的桡足类实现寄生虫感染。所有个体均以摇蚊幼虫为食，并在30、60、90和120天四个时间点采样，收集宿主肝脏、肌肉及寄生虫样本。通过气相色谱-燃烧-同位素质谱（GC-C-IRMS）技术进行氨基酸氮同位素分析（δ¹⁵N-AA），获取包括丙氨酸（Ala）、丝氨酸（Ser）、脯氨酸（Pro）等14种氨基酸的δ¹⁵N数据。运用方差同时成分分析（ASCA）等统计方法解析数据变异来源，并基于谷氨酸（Glu）和苯丙氨酸（Phe）计算营养级位置。

△δ¹⁵N fractionation between consumer tissues and diet

研究通过计算消费者组织（肌肉、肝脏、寄生虫）与食物（摇蚊幼虫）间的营养分馏（△δ¹⁵N），将氨基酸分为三类：营养氨基酸（TAA）、来源氨基酸（SAA）和代谢氨基酸（MAA）。TAA（如Ala、Asp、Glu等）在消费者组织中分馏较高（最高达16‰），而SAA（如Phe、Lys、Tyr）分馏较低。寄生虫组织中的Pro分馏显著较低（<3‰），Ser分馏则较高（>5‰），表明这些氨基酸在寄生虫中具有独特的代谢途径。肌肉组织比肝脏和寄生虫表现出更高的分馏，反映其较慢的周转率；而肝脏和寄生虫的分馏动态相似，提示二者代谢紧密关联。

△δ¹⁵N fractionation between host tissues and parasite

寄生虫与宿主组织间的同位素比较显示，寄生虫多数氨基酸的δ¹⁵N值低于肌肉组织，但Ser在感染120天后显著高于肌肉（△δ¹⁵N_P-M=3.0±0.5‰）。与肝脏组织比较，寄生虫的TAA（如Ala、Asp、Glu等）在120天时呈现更高同位素比值（富集<2‰），而Pro则显著降低（△δ¹⁵N_P-L=-5±2.4‰）。Ser和Thr在寄生虫中富集最显著，表明它们在其代谢中扮演关键角色。

Assessment of the effects of experimental factors by ANOVA simultaneous component analysis

ASCA分析表明，样本类型（肌肉、肝脏、寄生虫）是数据变异的主要来源（61.4%），感染时间也有显著影响（7.9%）。肌肉样本在PC1上区分明显，与Asp、Glu、Leu和Val等氨基酸密切相关；寄生虫样本与Ser高度关联，Pro则在宿主组织中富集。感染时间上，30天样本与其他时间点显著分离，90和120天部分重叠，说明感染早期代谢变化最为显著。

Trophic dynamics during infection

基于Glu和Phe的传统营养级计算显示，寄生虫的营养级与肝脏组织相近（差异≤0.5），但60天时寄生虫营养级显著高于肌肉（差异0.8）。感染宿主与对照组织的营养级差异极小（≤0.2），表明感染未显著改变宿主的表观营养级。从30到60天，寄生虫和感染宿主组织的营养级均有所上升，提示此阶段氮通量增加。

△δ¹⁵N Fractionation between infected and non-infected host tissues

感染与对照组织间的分馏比较显示，TAA在感染组织中略有降低，而Gly和Thr在感染肌肉中显著增加（如Gly在90天时△δ¹⁵N_{InfM-ControlM}=2.7±0.7‰）。感染肝脏中Gly、Ser和Tyr的分馏降低，但Thr和Lys显著增加。这些变化反映了感染引发的免疫和代谢应答，如Gly参与免疫调节和胶原合成，Thr分解支持细胞代谢。

研究结论表明，寄生虫与宿主肝脏组织具有高度协同的代谢关系，直接利用宿主衍生营养，营养级差异小于0.5。Ala在寄生虫中显著富集（5‰），提示其通过葡萄糖异生支持寄生虫生长；Pro的异常分馏可能与转化为羟脯氨酸有关，用于寄生虫结构发育。感染宿主中Gly随时间的增加反映了免疫代谢需求的提升。该研究强调了多组织分析在揭示宿主-寄生虫代谢互作中的重要性，为生态 parasitology 和营养生态学提供了新见解。未来研究可采用¹⁵N标记氨基酸实验，以更精确追踪代谢路径和营养流动。