研究揭示蜜蜂的免疫系统可以精准识别近缘的异源菌株

昆虫的免疫系统在抵御病原体、区分有害病原菌和有益共生菌等方面发挥着至关重要的作用。

近日，中国农业大学植物保护学院周欣教授团队在《美国科学院院刊》（PNAS）在线发表了题为“蜜蜂IMD和Toll途径介导ROS生成调控肠道菌的宿主特异性”的研究论文。研究首次揭示了蜜蜂的免疫系统可以在更精细的层面识别近缘的异源菌株，并仅针对异源菌株调用免疫反应，以维持宿主与自身的原生肠道共生菌之间的紧密共生关系。

大部分动物都有肠道共生菌，并普遍存在宿主特异性，通常体现为特异性的菌群组成，或者菌种/菌株级别的特异性定植优势。解析这种紧密共生关系的形成机制，是理解动物共生肠道微生态系统的建成和维持的关键。真社会性蜂类（包括蜜蜂、熊蜂和无刺蜂）的成虫都有相对简单但组成稳定的核心肠道菌群，并通过社会性接触传递给新羽化的工蜂。

已有研究认为，在蜂宿主和肠道菌共同多样化的演化过程中，现生肠道菌的共同祖先已经与宿主的共同祖先形成了共生关系，并随着宿主的分化而形成了具有宿主特异性的菌株。因此，该系统提供了一个绝佳的研究模型，以阐明宿主—肠道菌的互作关系在菌的宿主特异性演化过程中是否发挥了关键作用。

论文通讯作者、中国农业大学植物保护学院教授周欣表示，研究利用来自西方蜜蜂（以下简称“西蜂”）和熊蜂肠道的两株核心菌Gilliamella菌株，首先通过交叉定植实验确定了Gilliamella菌株存在宿主特异性。随后通过转录组分析及免疫基因的表达检测，发现异源的熊蜂Gilliamella菌株能够激发西蜂产生更强烈的免疫反应。使用RNAi抑制西蜂IMD和Toll免疫通路基因的关键基因Relish和dorsal-1，显著提高了熊蜂Gilliamella菌株在西蜂肠道中的定植量。“进一步的研究发现在熊蜂Gilliamella菌株定植西蜂的过程中，Relish和dorsal-1通过促进Duox基因表达进而增加肠道内活性氧（ROS）水平，从而抑制异源菌株的增殖，而这一过程并无抗菌肽的参与。在昆虫肠道免疫反应中，Duox-ROS途径通常是宿主应对病原微生物感染的第一道防线。该研究发现蜜蜂正是利用了这一演化保守的免疫途径，精准限制了异源菌株在肠道内的增殖。”周欣说。

论文第一作者、中国农业大学植物保护学院博士研究生郭丽珍介绍，此外肠道代谢组数据表明，相比于西蜂自身菌株，熊蜂Gilliamella菌株在定植西蜂的过程中会引发宿主产生大量的前列腺素；该物质可激活IMD和Toll免疫通路的基因表达，并上调Duox表达产生大量ROS从而限制异源菌株增殖。研究结果从演化的角度，首次阐明了昆虫的先天免疫系统在肠道菌的宿主特异性形成和维持过程中的作用机制，为宿主—共生微生物互作的基本范式提供了全新的证据。