Gut bacteria are essential for development of an invasive bark beetle by regulating glucose transport  

腸道細(xì)菌通過調(diào)節(jié)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)對一種入侵性樹皮甲蟲的發(fā)育至關(guān)重要  

來源：Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS),  2024 Vol. 121，e2410889121 

《美國國家科學(xué)院院刊》，2024年第121卷，文章編號(hào)： e2410889121 

 

摘要內(nèi)容：  

論文發(fā)現(xiàn)紅脂大小蠹（RTB）的腸道細(xì)菌通過誘導(dǎo)腸道低氧和分泌核黃素，激活低氧誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子1（Hif-1α），進(jìn)而上調(diào)兩種葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（ST10和ST27）的表達(dá)，促進(jìn)D-葡萄糖從腸道向脂肪體的轉(zhuǎn)運(yùn)，最終驅(qū)動(dòng)幼蟲發(fā)育。缺乏腸道細(xì)菌導(dǎo)致葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)受阻，幼蟲發(fā)育異常。  

 

研究目的：  

闡明腸道細(xì)菌調(diào)控RTB幼蟲發(fā)育的分子機(jī)制，特別是其在葡萄糖代謝中的作用，為入侵性害蟲的生物防治提供新靶點(diǎn)。  

 

研究思路：  

比較無菌（AX）與常規(guī)（CN）飼養(yǎng)RTB幼蟲的發(fā)育表型，確認(rèn)腸道細(xì)菌的必要性。  

 

分析腸道氧濃度和代謝物差異，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌誘導(dǎo)低氧（5% O?）并分泌核黃素。  

 

驗(yàn)證低氧和核黃素通過穩(wěn)定Hif-1α蛋白促進(jìn)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)。  

 

篩選Hif-1α下游靶基因，鑒定出葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ST10和ST27。  

 

通過RNA干擾、酵母單雜交（Y1H）、電泳遷移率實(shí)驗(yàn)（EMSA）和雙熒光素酶報(bào)告系統(tǒng)（LUC）驗(yàn)證Hif-1α直接調(diào)控ST10/ST27的分子通路。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義：  

幼蟲發(fā)育指標(biāo)（圖1A-B）：AX幼蟲體長、頭寬和體重增長顯著低于CN幼蟲。意義：證明腸道細(xì)菌缺失直接抑制發(fā)育。  

 

腸道氧濃度（圖2A-B）：CN幼蟲腸道氧濃度為5%（與蟲道環(huán)境一致），AX幼蟲升至10%。意義：揭示細(xì)菌通過呼吸作用創(chuàng)造低氧微環(huán)境。  

 

代謝物含量（圖2E-F）：AX幼蟲腸道核黃素顯著降低，短鏈脂肪酸（如丁酸）含量下降。意義：核黃素是細(xì)菌調(diào)控發(fā)育的關(guān)鍵代謝物。  

 

葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)能力（圖3A-E）：AX幼蟲糞便殘留D-葡萄糖，且熒光探針6-NBDG在脂肪體無累積。意義：細(xì)菌缺失阻斷葡萄糖從腸道向脂肪體的轉(zhuǎn)運(yùn)。  

 

Hif-1α蛋白表達(dá)（圖4A-E）：AX幼蟲腸道Hif-1α蛋白缺失，低氧或核黃素處理可恢復(fù)其表達(dá)。意義：細(xì)菌通過低氧和核黃素穩(wěn)定Hif-1α。  

 

葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白功能（圖5C）：異源表達(dá)驗(yàn)證ST10和ST27具有葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)活性。RNA干擾ST10/ST27（圖5D-E）抑制葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)，證實(shí)其為Hif-1α下游效應(yīng)因子。  

 

結(jié)論：  

腸道細(xì)菌通過自身呼吸降低腸道氧濃度（5% O?）并分泌核黃素，激活宿主Hif-1α信號(hào)通路。  

 

Hif-1α直接結(jié)合ST10和ST27基因的缺氧響應(yīng)元件（HREs），上調(diào)這兩種葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)。  

 

ST10/ST27介導(dǎo)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)是RTB幼蟲發(fā)育的關(guān)鍵限速步驟，靶向此通路可抑制害蟲發(fā)育。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義  

使用Unisense微電極（型號(hào)OX-25）測量腸道和蟲道氧濃度（圖2A-B）發(fā)現(xiàn)：  

精準(zhǔn)量化微環(huán)境：直接證實(shí)RTB幼蟲腸道為穩(wěn)定低氧環(huán)境（5% O?），而細(xì)菌缺失使氧濃度翻倍（10%），說明細(xì)菌呼吸是維持低氧的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。  

 

生態(tài)適應(yīng)性關(guān)聯(lián)：蟲道氧濃度（5% O?）與腸道一致，表明細(xì)菌創(chuàng)造的腸道低氧是RTB適應(yīng)樹皮下缺氧環(huán)境的生理基礎(chǔ)。  

 

機(jī)制驗(yàn)證：通過人工模擬5% O?環(huán)境可恢復(fù)AX幼蟲發(fā)育（圖2C）和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)（圖3F），反向驗(yàn)證了低氧數(shù)據(jù)的生物學(xué)意義——低氧是激活Hif-1α的先決條件。  

 

技術(shù)優(yōu)勢：微電極的高空間分辨率（可插入中腸組織）和靈敏度（檢測0.1% O?變化）為昆蟲-微生物互作研究提供了微環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測新方法。