中國農業(yè)大學植保學院周欣、張雪團隊在解析蜜蜂腸道菌調控宿主能量代謝方面取得突破性進展

　　中國農大新聞網訊 蜜蜂是重要的傳粉者和生產者，而蜜蜂傳粉和產蜜服務功能的生物學基礎是它們對花粉和花蜜的專一食性。花蜜中的糖濃度可以高達50%以上，而高糖食物通常會導致動物出現(xiàn)胰島素抵抗和代謝紊亂等癥狀。那么，蜜蜂是如何在完全依賴于粉、蜜食物的情況下維持代謝穩(wěn)態(tài)，避免類似糖尿病的癥狀呢？

 

　　中國農業(yè)大學植物保護學院昆蟲學系的周欣、張雪團隊近期在《美國科學院院刊》（PNAS）發(fā)表了題為“Lactobacillus Firm-5-derived succinate prevents the honeybees from having diabetes-like symptoms”的研究成果。該研究揭示去除天然腸道菌群的蜜蜂的確獲得了類似人類I型糖尿病的癥狀，而腸道菌的定植則恢復了宿主對胰島素分泌的調控，幫助宿主在高糖食物下維持代謝穩(wěn)態(tài)。

 

　　進一步的機制研究表明，腸道菌定植能夠刺激無菌蜜蜂頭部胰島素樣肽基因（Insulin-like peptides 1，ilp1）的表達，緩解無菌蜜蜂的類I型糖尿病癥狀，包括降低血淋巴葡萄糖含量，同時提高脂質和糖代謝相關基因表達，促進能量儲存物質甘油三酯的積累。代謝組分析發(fā)現(xiàn)，腸道菌定植組中蜜蜂三羧酸循環(huán)代謝物發(fā)生了顯著變化，其中琥珀酸含量顯著升高。而為無菌蜂補充琥珀酸可以大幅提高無菌蜜蜂頭部ilp1的表達，同時顯著降低其血糖水平。通過組學分析和體內、體外實驗證實，蜜蜂腸道菌Lactobacillus Firm-5是發(fā)酵產生琥珀酸的優(yōu)勢菌。Lactobacillus Firm-5具有編碼單亞基型琥珀酸還原酶（Fumarate reductase，F(xiàn)rd）的基因，通過反向三羧酸途徑發(fā)酵產生琥珀酸。對無菌蜜蜂直接補充琥珀酸或者接種Lactobacillus Firm-5，都能夠有效緩解由ilp1表達受損而導致的高血糖等代謝紊亂癥狀。進一步研究揭示，Lactobacillus Firm-5產生的琥珀酸激活了腸道糖異生，進而激活腦部胰島素基因的表達。而使用RNAi對果糖-1，6-二磷酸酶（Fructose-1，6-bisphosphatase，F(xiàn)bp）基因敲降，抑制腸道糖異生則顯著降低了擁有正常菌群及定植了Lactobacillus Firm-5的蜜蜂頭部ilp1基因的表達。這一機制與人類調節(jié)胰島素分泌的方式非常相似，表明蜜蜂與哺乳動物在代謝調控上存在共性。

 

　　能量代謝穩(wěn)態(tài)在蜜蜂的個體生長發(fā)育，行為分工的轉換和維持群體功能過程中發(fā)揮著至關重要的作用。本研究揭示了蜜蜂腸道微生物在維持宿主能量代謝穩(wěn)態(tài)中扮演著關鍵角色，這一調控機制在昆蟲中是首次發(fā)現(xiàn)。研究結果揭示了蜜蜂如何依賴腸道細菌及其代謝產物來維持健康，不僅為保護蜜蜂這一關鍵傳粉昆蟲提供了新思路，也為研究人類代謝性疾病開辟了新視角。

 

　　中國農業(yè)大學生物學院2018級博士生韓本鳳為論文第一作者，中國農大植物保護學院周欣和張雪為論文通訊作者。中國農業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院鄭浩教授團隊、中國農業(yè)大學植物保護學院沈杰教授團隊、中國農業(yè)大學生物學院樓慧強教授團隊、中國農業(yè)科學院蜜蜂研究所孟麗峰副研究員為本工作提供了重要的支持和指導。本研究獲得了國家自然科學基金面上項目、青年科學基金項目、國家高層次人才特支計劃、中國農業(yè)大學2115人才發(fā)展計劃，以及中國農業(yè)大學三亞研究院項目的資助和支持。