Anastrepha acris 幼虫在富含植物酚类物质宿主中的耐受机制：肠道结构、代谢与微生物群的协同作用

《Animal Microbiome》：Gut barrier stability, metabolic reprogramming, and microbiota shifts support toxin tolerance in Anastrepha acris (Diptera: Tephritidae) larvae

　　

摘要

背景

植物酚类物质/外源物质对植食性昆虫施加了强烈的选择压力，而在真果蝇（Tephritidae）中，其对这些物质的耐受机制仍知之甚少。Anastrepha acris是一种专性寄生于Hippomane mancinella（被称为“死亡苹果”的水果）的果蝇，这种水果含有丰富的鞣花单宁（如Hippomanin A）和其他高毒性的化学物质（如焦酚型二萜酯、皂苷和呋喃香豆素）。我们通过使用高剂量的重组冻干H. mancinella果肉（RLHMP）作为食物来源，并结合抗生素处理，来研究幼虫的中肠结构完整性、与解毒相关的代谢过程以及肠道微生物群落组成如何共同支持A. acris在这种有毒宿主体内的生存。

结果

一种衡量多种生存参数的多性状幼虫表现指数（ω，范围0–1）在食用RLHPM（50%浓度）后显著下降，而在幼虫饲养期间加入抗生素后这种下降幅度进一步加剧。所有组别中，RLHPM平均使ω值降低了约0.28；加入抗生素时降幅约为0.38，而不加抗生素时为约0.17。抗生素在标准食物条件下提高了幼虫的适应性，但在RLHPM条件下没有带来任何益处。通过对整个幼虫进行RNA测序，我们发现碳水化合物和脂质分解代谢、处理外源物质的酶（包括细胞色素P450和氧化还原酶）以及大量丝氨酸型内肽酶被协同诱导，同时抗菌性体液信号通路得到了增强。此外，我们还发现与微管相关的转录本被选择性下调。重要的是，透射电子显微镜观察显示，即使在高浓度的RLHPM下，A. acris的幼虫仍保持了完整的中肠结构、紧密排列的微绒毛、完好的线粒体膜以及典型的细胞质液泡和脂质滴。相比之下，与其系统发育关系密切的物种A. ludens的幼虫在中肠组织中，在较低浓度的RLHPM下就出现了线粒体和微绒毛的早期损伤。对肠道细菌的16S rRNA扩增子分析显示，尽管暴露于外源物质和抗生素，肠道菌群仍以Proteobacteria为主，并由少数核心属组成。无论是否有抗生素处理，RLHPM都会持续减少Achromobacter的数量，同时增加Phyllobacterium和Ralstonia的含量。中性模型表明，在实验室处理中Achromobacter和Phyllobacterium的出现频率高于预期，而在野生幼虫和RLHPM–抗生素联合处理中，则出现频率较低的菌类在总读数中占比更大。

结论

Anastrepha acris幼虫通过三种综合策略来抵御极端的外源物质负担：保持中肠屏障结构完整、重新分配代谢以支持高能量需求的解毒过程，以及通过免疫介导的手段调控微生物群落以促进对酚类物质的耐受性。实验中，在宿主最需要微生物辅助的时候给予抗生素反而删除了这些有益菌，从而加剧了在RLHPM环境下的生存压力。针对这些关键菌类和代谢途径进行靶向调控，可以为提高幼虫在富含酚类物质宿主体内的生存能力提供可行的方法。

背景

植物酚类物质/外源物质对植食性昆虫施加了强烈的选择压力，而在真果蝇（Tephritidae）中，其对这些物质的耐受机制仍知之甚少。Anastrepha acris是一种专性寄生于Hippomane mancinella（被称为“死亡苹果”的水果）的果蝇，这种水果含有丰富的鞣花单宁（如Hippomanin A）和其他高毒性的化学物质（如焦酚型二萜酯、皂苷和呋喃香豆素）。我们通过使用高剂量的重组冻干H. mancinella果肉（RLHMP）作为食物来源，并结合抗生素处理，来研究幼虫的中肠结构完整性、与解毒相关的代谢过程以及肠道微生物群落组成如何共同支持A. acris在这种有毒宿主体内的生存。

结果

一种衡量多种生存参数的多性状幼虫表现指数（ω，范围0–1）在食用RLHPM（50%浓度）后显著下降，而在幼虫饲养期间加入抗生素后这种下降幅度进一步加剧。所有组别中，RLHPM平均使ω值降低了约0.28；加入抗生素时降幅约为0.38，而不加抗生素时为约0.17。抗生素在标准食物条件下提高了幼虫的适应性，但在RLHPM条件下没有带来任何益处。通过对整个幼虫进行RNA测序，我们发现碳水化合物和脂质分解代谢、处理外源物质的酶（包括细胞色素P450和氧化还原酶）以及大量丝氨酸型内肽酶被协同诱导，同时抗菌性体液信号通路得到了增强。此外，我们还发现与微管相关的转录本被选择性下调。重要的是，透射电子显微镜观察显示，即使在高浓度的RLHPM下，A. acris的幼虫仍保持了完整的中肠结构、紧密排列的微绒毛、完好的线粒体膜以及典型的细胞质液泡和脂质滴。相比之下，与其系统发育关系密切的物种A. ludens的幼虫在中肠组织中，在较低浓度的RLHPM下就出现了线粒体和微绒毛的早期损伤。对肠道细菌的16S rRNA扩增子分析显示，尽管暴露于外源物质和抗生素，肠道菌群仍以Proteobacteria为主，并由少数核心属组成。RLHPM会持续减少Achromobacter的数量，同时增加Phyllobacterium和Ralstonia的含量。中性模型表明，在实验室处理中Achromobacter和Phyllobacterium的出现频率高于预期，而在野生幼虫和RLHPM–抗生素联合处理中，出现频率较低的菌类在总读数中占比更大。

结论

Anastrepha acris幼虫通过三种综合策略来抵御极端的外源物质负担：保持中肠屏障结构完整、重新分配代谢以支持高能量需求的解毒过程，以及通过免疫介导的手段调控微生物群落以促进对酚类物质的耐受性。实验中，在宿主最需要微生物辅助的时候给予抗生素反而删除了这些有益菌，从而加剧了在RLHPM环境下的生存压力。针对这些关键菌类和代谢途径进行靶向调控，可以为提高幼虫在富含酚类物质宿主体内的生存能力提供可行的方法。