沙漠蝗虫（Schistocerca gregaria）脂肪体对膳食宏量营养平衡和绿僵菌感染的转录组反应

《Comparative Biochemistry and Physiology Part D: Genomics and Proteomics》：Fat body transcriptomic responses to dietary macronutrient balance and Metarhizium infection in the desert locust, Schistocerca gregaria

　　

## 摘要要点

- **核心焦点**：我们检验了饮食是否通过差异化的免疫基因表达改变存活率。
- **转录组变化**：感染而非饮食，是脂肪体基因表达的主要关联因素。
- **免疫反应**：广泛的免疫通路在所有饮食条件下均持续富集。
- **关键结果**：饮食驱动的存活差异与免疫通路的差异表达无关。

## 引言

营养与免疫是决定生物体适应性的基本因素，因为它们共同影响健康、存活率和疾病易感性（Ponton 等，2020）。营养资源对于免疫防御系统的发育与维持至关重要，这些防御系统保护有机体免受病原感染的持续威胁（Schmid-Hempel，2021）。同时，免疫反应的激活与维持是高能耗过程，需要大量的代谢投入（Cotter 等，2019）。因此，营养获取、能量代谢和免疫防御已演化为高度整合的生理过程（Ponton 等，2023）。营养感知与利用系统负责病原检测与免疫激活的系统共享信号通路与调控网络，导致代谢、内分泌和免疫功能之间存在广泛的交叉对话（Iyer 等，2015）。这种相互关联构成了免疫代谢学的基础，并突显了营养资源如何影响免疫表现、宿主-病原相互作用以及疾病结局（Pan 等，2018）。尽管营养状态越来越多地被公认为病原抵抗力和感染结局的主要决定因素，但饮食宏量营养素平衡影响免疫和代谢对感染的应答的分子机制仍然知之甚少（Ayres 和 Schneider，2009；Ponton 等，2023）。

众多昆虫研究表明，食物摄入量对宿主-病原相互作用的影响高度依赖情境，随感染病原和宿主物种的不同而变化。例如，在黑腹果蝇中，感染引起的厌食增加了对鼠伤寒沙门氏菌的耐受性，同时降低了对单核细胞增生李斯特菌的抵抗力（Ayres 和 Schneider，2009）。在家蚕中，通过减少食物摄入量实施饮食限制，加速了黑色素化，降低了早期金黄色葡萄球菌负荷，延缓了死亡，并改变了免疫相关基因的表达（Pan 等，2018）。这些研究表明，总营养摄入量可以通过影响病原负荷和宿主免疫应答来影响感染结局。

除了整体食物摄入量之外，饮食宏量营养素的平衡已成为影响感染结局的重要因素。在过去数十年间，Simpson 和 Raubenheimer（2012）发展的几何营养框架极大地推进了我们对宏量营养素平衡如何调节动物生理功能的理解。该框架使大量研究得以考察饮食中蛋白质、碳水化合物和脂质组成的变化如何影响寿命、繁殖、活动、代谢和免疫功能等性状，跨越多种动物系统（Ponton 等，2023；Talal 等，2023；Talal 等，2024；Millerwise 等，2025；Cease 等，2026）。尽管取得了这些进展，宏量营养素平衡改变对感染的转录应答并最终塑造病原挑战易感性的程度仍然知之甚少。现有研究表明，营养与病原抵抗力之间的关系在宿主物种和感染类型之间差异显著（Ponton 等，2023）。例如，在黑腹果蝇中，蛋白质限制不影响对大肠杆菌或乳亚热乳杆菌的抵抗力（即降低病原负荷的能力），但降低了对大肠杆菌的耐受性（即降低感染适合度代价的能力），突显了营养对宿主防御的影响依赖于病原种类（Kutzer 和 Armitage，2016）。同样，摄食碳水化合物偏向饮食的雌性果蝇在感染微球菌时表现出抗菌蛋白产生增加和存活率提高（Ponton 等，2020）。碳水化合物偏向饮食还增加了感染白垩蜂虫黄粉虫孢子虫的大黄蜂寿命，尽管感染患病率也有所增加，这表明存活率的提高并不一定伴随病原负荷的降低（Gómez-Moracho 等，2021）。相反，在被两种病原（白垩蜂虫黄粉虫孢子虫和畸形翅病毒B）共同感染的蜜蜂中，蛋白质补充降低了病毒载量并改善了存活率，尽管也促进了白垩蜂虫黄粉虫孢子虫的复制（Tritschler 等，2017）。对于感染绿僵菌的蝗虫而言，也存在一些物种特异性差异，尽管一般而言，高碳水化合物低蛋白质的饮食对宿主具有保护作用（Graham 等，2014；Zembrzuski 等，2023；Tahir 等，2026a）。支持这些模式潜在机制基础的是，De Fine Licht 等（2025）发现绿僵菌的生长主要受蛋白质可用性限制，且飞蝗组织在蛋白质和碳水化合物组成方面存在显著差异，表明宿主营养物质可用性的变化可能直接塑造真菌的生长和发育。总之，这些研究表明饮食宏量营养素并不会统一地增强或抑制宿主防御；相反，感染结局产生于宿主营养状态、病原营养需求、免疫调节以及所评估的疾病指标（包括病原负荷、存活率、抵抗力和耐受性）之间的相互作用。

解释这些饮食与昆虫对病原应答之间对比性相互作用的潜在原因之一在于代谢通路（营养物质的获取、储存和分配）与免疫信号通路之间的密切相互作用。尽管这些系统历史上是独立研究的，但越来越多的证据表明它们紧密相连且从昆虫到脊椎动物都具有进化保守性，由此产生了免疫代谢学领域（Lee 和 Lee，2018）。在昆虫中，针对真菌和革兰氏阳性菌的免疫主要通过 Toll-Dif/Dorsal 通路介导，而针对革兰氏阴性菌的免疫则通过 Imd-Relish 通路控制，两者最终都导致抗菌肽的产生（Galenza 和 Foley，2019）。JAK/STAT 通路也参与免疫防御，特别是针对病毒病原的防御，并且表现出与胰岛素/胰岛素样生长因子信号（IIS）的功能性相互作用（Mukherjee 等，2025）。当前模型提出，感染会诱导从合成代谢生长和营养储存向以防御为导向的代谢状态的协调转变。在果蝇中，Toll 免疫通路的激活会抑制胰岛素信号传导，导致生长和营养储存减少，因为资源被重新分配到免疫防御中。与此响应相辅相成的是，营养感知通路如 TOR 和 FOXO 与先天免疫相互作用，不良饮食会减少 TOR 信号传导，增加 FOXO 激活，同时增加抗菌肽表达并增强免疫功能（DiAngelo 等，2009；Ponton 等，2020）。这些信号相互作用可以将能量资源从生长和储存重新分配到免疫防御，说明了代谢和免疫通路在感染期间如何整合（Lee 和 Lee，2018）。总之，这些研究说明了营养状态如何通过保守的代谢调节因子与经典免疫信号通路之间的交叉对话被转化为免疫应答（Ponton 等，2020；Kim 等，2022；Mukherjee 等，2025）。

理解营养如何影响免疫应答需要考察这些相互作用背后的分子机制。转录组分析为研究基因表达对环境和生理因素的反应性变化提供了有力方法（Mierziak 等，2021）。饮食、体力活动、药物和疾病都可以改变基因表达模式，影响有机体中病理变化的风险（Panagiotou 和 Nielsen，2009；Phillips，2013）。因此，比较健康与患病人群中饮食依赖性转录组谱已变得越来越有价值，用于识别分子生物标志物并增进我们对营养因素如何影响健康和疾病过程的理解（Trujillo 等，2006）。

在本研究中，我们以沙漠蝗虫（*Schistocerca gregaria*）作为模式生物，研究饮食宏量营养素平衡（蛋白-碳水比）如何影响对昆虫病原真菌 *Metarhizium robertsii* 感染的分子应答。蝗虫是表现出极端表型可塑性的蝗总科昆虫，根据密度变化从羞怯的独居阶段转变为活跃的群居阶段（Pener 和 Simpson，2009；Cullen 等，2017）。沙漠蝗虫是一种广谱多食性物种，在不同的寄主植物中遇到广泛变化的蛋白-碳水比（Le Gall 等，2019）。该物种表现出活跃的碳水-蛋白摄入量调节，是几何营养框架的公认模式生物（Simpson 和 Raubenheimer，2012；Cease，2024；John 等，2026）。在面临绿僵菌挑战的蝗虫中，碳水化合物偏向饮食一般具有保护作用，但机制尚不清楚（Graham 等，2014；Zembrzuski 等，2023；Tahir 等，2026a）。我们最近证明，摄食碳水化合物偏向饮食的沙漠蝗虫在真菌感染后的存活时间比摄食平衡饮食或蛋白质偏向饮食的个体更长，尽管其某些免疫激活方面的水平较低（Tahir 等，2026a）。具体而言，维持平衡饮食和蛋白质偏向饮食的蝗虫，其酚氧化酶（PO）活性相对于摄食碳水化合物偏向饮食的个体升高。然而，昆虫免疫是复杂且多面的，同时使用细胞免疫和体液免疫应答（Zdybicka-Barabas 等，2025）。细胞防御由血细胞介导，执行吞噬、结节和包囊作用；而体液免疫涉及酚氧化酶级联反应的激活（驱动黑色素化）、Toll、Imd 和 JAK/STAT 等免疫信号通路的诱导（刺激抗菌肽和其他免疫效应因子的产生），以及血淋巴凝固以促进伤口修复（Wojda 等，2020；Cammarata-Mouchtouris 等，2022；Valanne 等，2022；St?czek 等，2023；Kordaczuk，2024；Muhammad 等，2024）。饮食宏量营养素平衡影响绿僵菌感染蝗虫酚氧化酶活性但不影响血细胞数量的观察结果表明，营养对免疫的影响可能是复杂的且通路特异性的。

为更全面地了解饮食和绿僵菌感染如何影响蝗虫生理功能，我们比较了摄食碳水化合物偏向、平衡或蛋白质偏向饮食的感染与未感染蝗虫脂肪体的转录组应答。我们聚焦于脂肪组织，因为这是一个多功能代谢和免疫器官，既是营养储存和代谢的主要场所，也合成分泌至血淋巴的许多感染期间的免疫蛋白（Arrese 和 Soulages，2010；Sawa 等，2025）。我们假设饮食宏量营养素平衡通过营养敏感的信号通路以及在免疫防御和合成代谢之间的资源分配改变来影响感染结局。鉴于先前研究表明高蛋白饮食促进生长（Lee 等，2006；Longo 和 Anderson，2022；Tahir 等，2026a），我们预测蛋白质偏向饮食会增加涉及生长和合成代谢过程的基因表达，同时可能抑制某些免疫应答方面的基因表达；反之，我们预测碳水化合物偏向饮食会降低生长和合成代谢基因的表

所有实验操作均遵循适当的动物福利规范进行，以确保负责任的饲养与护理。生成式AI及AI辅助技术在写作过程中的声明：在本工作的准备过程中，作者仅使用Grammarly和ChatGPT 5.2进行英语语法和语言编辑。Illustrate.co被用于将作者拍摄的沙漠蝗虫（Schistocerca gregaria）原始照片转化为逼真的教科书风格科学插图。通过亚利桑那州立大学获取的Gemini 3.6 Flash被用于协助与沙漠蝗虫相关的差异表达基因的功能分类和可视化开发。资助：本工作由美国国家科学基金会（NSF）[DBI 2021795和IOS 1942054]及亚利桑那州立大学研究生学生政府资助金资助。本工作为亚利桑那州立大学全球蝗灾倡议与NSF行为可塑性研究所的联合项目。利益冲突声明：作者声明不存在已知的财务利益或个人关系可能影响本文所报告工作的情况。致谢：我们感谢Shelly Adamo博士对本工作的建议和反馈，感谢Rick Overson博士和Mira Ries提供建议和运营支持，感谢Tamir Lichaa进行深入讨论。我们感谢亚利桑那州立大学研究计算中心提供的高性能计算资源，这些资源对本文报告的研究结果做出了贡献（Jennewein等人，2023）。我们感谢两位匿名审稿人的深思熟虑且富有建设性的反馈，这些反馈极大地提升了本研究的Syeda Mehreen Tahir|Maeva A. Techer|Emily Baker|Stefan Jaronski|Jackson B. Linde|Thy Nguyen|Nicholas Rolig|Stephanie Nunez|Syed Muaaz|Hojun Song|Jon F. Harrison|Arianne J. Cease