生命科学学院生物学科张忠教授团队基于昆虫与肠道菌群互作机制，先后在Ecotoxicology and Environmental Safety杂志发表题为：“Transcriptome and microbiome analyses of the mechanisms underlying antibiotic-mediated inhibition of larval development of the saprophagous insect Musca domestica (Diptera: Muscidae)”和“Pseudomonas aeruginosa Y12 play positive roles regulating larval gut communities when housefly encountered copper stress”的研究成果，探讨昆虫肠道微生物功能及其在保护宿主免受有害物质侵害中的作用机制。
1、Transcriptome and microbiome analyses of the mechanisms underlying antibiotic-mediated inhibition of larval development of the saprophagous insect Musca domestica (Diptera: Muscidae).（第一作者李婷，通讯作者张忠）
抗生素常被用于治疗人类和动物中的细菌感染，然而抗生素滥用可能会对水域、土壤和腐生生物产生不利影响。特别是在禽畜养殖行业，抗生素使用更加广泛，部分抗生素会随禽畜粪便释放到环境中。而家蝇是生态系统中重要的分解者，可大量孳生于养殖场粪便和其他废弃物中，而这些残留抗生素是否会影响家蝇幼虫发育，进而影响自然界中物质和能量循环？
团队通过大量生物学数据积累，并在转录组和微生物组水平上揭示抗生素对家蝇幼虫生长影响的潜在机制（图1）。研究结果表明，相同剂量的硫酸庆大霉素和盐酸左氧氟沙星的暴露对幼虫发育的抑制作用大于阿莫西林。转录组分析显示，在硫酸庆大霉素和盐酸左氧氟沙星暴露的家蝇中，与蛋白质合成和脂肪酸、戊糖和葡萄糖醛酸盐代谢相关的生物学途径显著富集，这些途径中的基因是将来深入研究抗生素影响家蝇幼虫生长的关键基因。微生物组分析显示，有3个关键菌属与硫酸庆大霉素和盐酸左氧氟沙星暴露密切相关。基因与菌属之间的互作网络分析鉴定到假单胞菌属是抗生素影响家蝇的重要微生物效应因子（图2）。
图1 硫酸庆大霉素和盐酸左氧氟沙星对家蝇生长发育的影响机制
图2 差异基因与菌属互作网络表明假单胞菌为抗生素影响家蝇的重要微生物效应因子
A. WGCNA分析中差异基因和菌属的不同模块与不同处理组的相关性 Ct: 饲喂基础饲料，Gamo: 饲喂含阿莫西林的饲料，Gg+l: 饲喂含有硫酸庆大霉素和盐酸左氧氟沙星的饲料，Gamo+g+l: 饲喂含有三种抗生素的饲料。 B. 差异基因与菌属表达相关性的互作网络
2、Pseudomonas aeruginosa Y12 play positive roles regulating larval gut communities when housefly encountered copper stress.（第一作者王淑敏，通讯作者张忠）
重金属污染已成为全球关注的问题，并威胁到整个食物链的健康。在禽畜养殖过程中，重金属常被用于无机消毒剂，最终会在禽畜粪便或其他废弃物中产生残留。自然条件下，家蝇幼虫会在禽畜粪便中孳生，这些残留重金属是否对家蝇幼虫生长发育产生抑制作用？家蝇幼虫又如何拮抗这种有害物质？
本研究发现，从家蝇肠道中分离出一株具有重金属Cu2+吸附能力的铜绿假单胞菌Y12（Pseudomonas aeruginosa Y12），通过Pseudomonas aeruginosa Y12及Cu2+的饲喂实验，分析了不同浓度Cu2+对家蝇幼虫发育、肠道微生物结构和抗氧化防御系统的影响，探讨了宿主面对重金属Cu2+胁迫时Pseudomonas aeruginosa Y12对家蝇肠道微生物群的调控机制。结果发现，过量的Cu2+暴露改变了宿主肠道菌群的原始平衡，破坏了宿主的抗氧化系统，这是幼虫生长受到抑制的重要原因（图3）。Pseudomonas aeruginosa Y12具有Cu2+吸附作用，面对Cu2+胁迫时，在幼虫饲粮中混合添加低浓度的Pseudomonas aeruginosa Y12，能够影响宿主抗氧化系统，同时引起肠道微生物群的动态变化，有益菌增加并形成了一种新的微生物群落结构（图4）。研究结果表明，肠道菌群失调是Cu2+抑制家蝇幼虫生长的主要原因之一，适当及适量添加Pseudomonas aeruginosa Y12在调节幼虫肠道群落和保护昆虫免受有毒重金属的侵害方面发挥了积极作用。
团队前期研究表明，铜绿假单胞菌Y12（Pseudomonas aeruginosa Y12）还有抑制昆虫病原体——球孢白僵菌的作用（王淑敏等, Frontiers in microbiology, 2020; 万晴等, 中国媒介生物学及控制杂志），说明其在家蝇生态适应过程中发挥着重要的作用。
两篇文章研究结果表明，家蝇幼虫肠道中的假单胞菌属（特别是铜绿假单胞菌）是家蝇幼虫拮抗有害物质的关键菌属。铜绿假单胞菌是否可用于环境中抗生素降解或重金属吸附还有待深入研究。
图3 Pseudomonas aeruginosa Y12-Cu2+对家蝇生长发育的影响机制
图4 不同处理组中家蝇肠道菌群群落结构及α -多样性分析。A. 门水平肠道菌群组成； B. 科水平肠道菌群组成；C. 属水平肠道菌群组成；D. 属水平肠道微生物组成热图；WauC：饲喂基础饲料，PsuC：饲喂低浓度P. aeruginosa Y12饲料；WauL：饲喂低浓度Cu2+饲料；WauH：饲喂高浓度Cu2+饲料；PsuL：饲喂低浓度Cu2+-P. aeruginosa Y12混合饲料；PsuH：饲喂高浓度Cu2+-P. aeruginosa Y12混合饲料；
1、原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34385061/
Li T, Zhang Q, Zhang X, Wan Q, Wang S, Zhang R, Zhang Z. Transcriptome and microbiome analyses of the mechanisms underlying antibiotic-mediated inhibition of larval development of the saprophagous insect Musca domestica (Diptera: Muscidae). Ecotoxicol Environ Saf. 2021 Oct 15;223:112602. doi: 10.1016/j.ecoenv.2021.112602. Epub 2021 Aug 9. PMID: 34385061.
2、原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37150108/
Wang S, Zhang K, Zhang Q, Li Y, Yin Y, Liu W, An S, Zhang R, Zhang Z. Pseudomonas aeruginosa Y12 play positive roles regulating larval gut communities when housefly encountered copper stress. Ecotoxicol Environ Saf. 2023 Jun 15;258:114978. doi: 10.1016/j.ecoenv.2023.114978. Epub 2023 May 5. PMID: 37150108.
供稿：生命科学学院 科研部
