两种肠道共生菌参与斑翅果蝇适应特殊生态位的代谢机制

Drosophila suzukii is the important fruits pest in the world with the different niches with other Drosophila species. Most Drosophila species prefer to overripe fruits, D. suzukii can lay eggs and feed in healthy and ripening fruits, and lead to serious damage for fruits. The ecological adaptability of D. melanogaster is enhanced through the metabolism of intestinal symbiotic bacteria, however, the metabolic mechanism of that for D. suzukii still remains unclear. We have separated and identified three species of bacteria in the intestine and the host plants of D. suzukii. Based on the results, the effect of two species (Citrobacter freundii and Klebsiella oxytoca) of intestinal symbiotic bacteria on D. suzukii is analyzed in this study. We also use metabonomics analysis to research the differences of metabolic mechanism in sterile strain and single symbiotic bacteria strain of D. suzukii through finding the key metabolites and locating the metabolic pathways. The object of this study is to determine metabolic mechanism of adapting special niches for D. suzukii taking advantage of intestinal symbiotic bacteria. The conclusions will provide the evidence for exploring the coevolution among symbiotic bacteria, flies and host plants, and control D. suzukii through disturbing the coevolution with symbiotic bacteria.

斑翅果蝇是世界上重要的水果害虫，与喜好取食腐烂果实的大多数果蝇不同，偏好在刚成熟变色的水果上产卵和取食，具有特殊的生态位，危害严重且极难防治。黑腹果蝇可通过肠道共生菌的辅助代谢作用增强其生态适应性，但肠道共生菌对斑翅果蝇特殊生态适应性的影响机制并没有系统的研究。本项目团队已在斑翅果蝇肠道及其寄主植物中筛选得到三种重要的共生细菌，拟在此基础上，分析其中两种重要共生细菌（弗氏柠檬酸杆菌和产酸克雷伯菌）对斑翅果蝇生长发育的影响；并利用代谢组学技术对斑翅果蝇野生品系、单一共生菌品系和无菌品系进行筛选，寻找斑翅果蝇体内与两种肠道共生菌辅助代谢相关的关键代谢物质，定位代谢通路，并通过实验验证，阐明斑翅果蝇利用肠道共生菌适应特殊生态位的代谢机制。该研究可为探索斑翅果蝇与寄主和肠道共生菌的协同进化关系提供证据，同时可通过扰乱其协同进化来减少斑翅果蝇的危害。

斑翅果蝇与其他果蝇的生态位不同，偏好在刚成熟变色的水果上产卵和取食，危害严重且极难防治。新鲜水果中富含糖类物质，蛋白质则相对缺乏，斑翅果蝇需要将寄主水果中的糖类物质转化为自身需要的营养，从而提高自身的适应性，而肠道微生物在提高斑翅果蝇生态适应性方面起到重要的作用。本研究通过观察无菌果蝇品系、弗氏柠檬酸杆菌Citrobacter freundii和产酸克雷伯氏菌Klebsiella oxytoca定殖的单一斑翅果蝇品系、正常果蝇品系等四种品系的生长发育状况，并对其进行转录组和代谢组的联合分析，旨在明确两种肠道共生细菌参与斑翅果蝇代谢的机理。结果表明，无菌品系卵孵化率、化蛹率及三龄幼虫体重均最低，而弗氏柠檬酸杆菌和产酸克雷伯氏菌的定殖可促进斑翅果蝇的生长发育，且影响其糖类物质代谢水平。将斑翅果蝇肠道内的共生菌去除后，斑翅果蝇体内差异基因可富集到糖酵解途径、半乳糖代谢途径、淀粉与蔗糖代谢途径、果糖和甘露糖代谢途径等糖类相关的代谢途径，参与多个糖类代谢途径的关键基因显著下调，如，FOXO1、己糖激酶、丙酮酸激酶、葡萄糖1,6二磷酸合成酶，而在无菌果蝇品系肠道内定殖弗氏柠檬酸杆菌和产酸克雷伯氏菌后，这些基因开始上调，磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶、与糖异生相关的果糖1,6二磷酸酶表达量下调。另外，不同果蝇品系间，多种氨基酸类物质的含量发生了变化。同时通过回补糖类物质，证明产酸克雷伯氏菌可参与斑翅果蝇体内糖类物质的代谢，以提高斑翅果蝇对其特殊生态位的适应性。该研究可为探索斑翅果蝇、寄主植物、肠道共生菌三者之间的协同进化关系提供证据，同时也可通过抑制微生物参与斑翅果蝇的糖类代谢，为其综合防治提供新的思路。