研究揭示蜜蜂的免疫系統(tǒng)可以精準(zhǔn)識別近緣的異源菌株

昆蟲的免疫系統(tǒng)在抵御病原體、區(qū)分有害病原菌和有益共生菌等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

近日，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院周欣教授團(tuán)隊(duì)在《美國科學(xué)院院刊》（PNAS）在線發(fā)表了題為“蜜蜂IMD和Toll途徑介導(dǎo)ROS生成調(diào)控腸道菌的宿主特異性”的研究論文。研究首次揭示了蜜蜂的免疫系統(tǒng)可以在更精細(xì)的層面識別近緣的異源菌株，并僅針對異源菌株調(diào)用免疫反應(yīng)，以維持宿主與自身的原生腸道共生菌之間的緊密共生關(guān)系。

大部分動物都有腸道共生菌，并普遍存在宿主特異性，通常體現(xiàn)為特異性的菌群組成，或者菌種/菌株級別的特異性定植優(yōu)勢。解析這種緊密共生關(guān)系的形成機(jī)制，是理解動物共生腸道微生態(tài)系統(tǒng)的建成和維持的關(guān)鍵。真社會性蜂類（包括蜜蜂、熊蜂和無刺蜂）的成蟲都有相對簡單但組成穩(wěn)定的核心腸道菌群，并通過社會性接觸傳遞給新羽化的工蜂。

已有研究認(rèn)為，在蜂宿主和腸道菌共同多樣化的演化過程中，現(xiàn)生腸道菌的共同祖先已經(jīng)與宿主的共同祖先形成了共生關(guān)系，并隨著宿主的分化而形成了具有宿主特異性的菌株。因此，該系統(tǒng)提供了一個絕佳的研究模型，以闡明宿主—腸道菌的互作關(guān)系在菌的宿主特異性演化過程中是否發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

論文通訊作者、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院教授周欣表示，研究利用來自西方蜜蜂（以下簡稱“西蜂”）和熊蜂腸道的兩株核心菌Gilliamella菌株，首先通過交叉定植實(shí)驗(yàn)確定了Gilliamella菌株存在宿主特異性。隨后通過轉(zhuǎn)錄組分析及免疫基因的表達(dá)檢測，發(fā)現(xiàn)異源的熊蜂Gilliamella菌株能夠激發(fā)西蜂產(chǎn)生更強(qiáng)烈的免疫反應(yīng)。使用RNAi抑制西蜂IMD和Toll免疫通路基因的關(guān)鍵基因Relish和dorsal-1，顯著提高了熊蜂Gilliamella菌株在西蜂腸道中的定植量。“進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)在熊蜂Gilliamella菌株定植西蜂的過程中，Relish和dorsal-1通過促進(jìn)Duox基因表達(dá)進(jìn)而增加腸道內(nèi)活性氧（ROS）水平，從而抑制異源菌株的增殖，而這一過程并無抗菌肽的參與。在昆蟲腸道免疫反應(yīng)中，Duox-ROS途徑通常是宿主應(yīng)對病原微生物感染的第一道防線。該研究發(fā)現(xiàn)蜜蜂正是利用了這一演化保守的免疫途徑，精準(zhǔn)限制了異源菌株在腸道內(nèi)的增殖?！敝苄勒f。

論文第一作者、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院博士研究生郭麗珍介紹，此外腸道代謝組數(shù)據(jù)表明，相比于西蜂自身菌株，熊蜂Gilliamella菌株在定植西蜂的過程中會引發(fā)宿主產(chǎn)生大量的前列腺素；該物質(zhì)可激活I(lǐng)MD和Toll免疫通路的基因表達(dá)，并上調(diào)Duox表達(dá)產(chǎn)生大量ROS從而限制異源菌株增殖。研究結(jié)果從演化的角度，首次闡明了昆蟲的先天免疫系統(tǒng)在腸道菌的宿主特異性形成和維持過程中的作用機(jī)制，為宿主—共生微生物互作的基本范式提供了全新的證據(jù)。