安徽农业大学刘威团队Advanced Science：宿主与共生细菌协同拮抗病原体机制取得突破性发现

来源：iNature 2025-06-01 15:12

本研究首次发现宿主通过分泌多种消化酶，诱导植物乳杆菌大部分个体发生转录重编程，从而整体水平提升乳酸产量，协同发挥拮抗粘质沙雷氏菌的作用。

在自然界中，宿主与共生微生物之间互作构成了抵御病原体入侵的第一道防线。然而，宿主如何主动联合共生菌共同拮抗病原菌，以及病原菌在面对这种联合压力时又采取何种应对策略？这是一个久远而经典的科学问题，但传统研究多聚焦于群体水平的菌群结构变化，尚未有单细胞层面的深入解析。针对这一科学难题，刘威教授团队利用微生物单细胞转录组测序技术揭开了这一复杂互作网络的神秘面纱，填补了宿主-微生物互作研究在理论层面的空白，也为基于菌群异质性实现微生态功能的精准调控提供了全新的理论依据。

安徽农业大学刘威教授团队在国际顶级综合性期刊《Advanced Science》（影响因子14.3）发表重磅研究成果。本研究通过构建宿主-共生菌（植物乳杆菌）-病原菌（粘质沙雷氏菌）三元互作模型，综合运用微生物单细胞RNA测序、宏转录组学和分子生物学等手段，首次发现宿主通过分泌多种消化酶，诱导植物乳杆菌大部分个体发生转录重编程，从而整体水平提升乳酸产量，协同发挥拮抗粘质沙雷氏菌的作用。面对宿主与共生菌的联合作用压力，粘质沙雷氏菌同步进化出巧妙的 赌注分散（bet hedging） 策略：其群体感知植物乳杆菌分泌的乳酸信号，并据此分化为少量高毒力与大量低毒力两个亚群，防止群体灭绝，为再度伺机感染提供 种子 。

图1.果蝇-植物乳杆菌-粘质沙雷氏菌三物种互作模型

本研究首先发现，果蝇幼虫可通过激活共生菌植物乳杆菌的代谢功能，显著增强其乳酸合成能力。在幼虫与植物乳杆菌的共培养体系中，植物乳杆菌的乳酸产量显著上升，并伴随着培养环境pH值的显著降低。幼虫与植物乳杆菌的共培养直接抑制了病原菌粘质沙雷氏菌的生长及灵菌红素的合成。进一步的功能验证实验表明，外源添加乳酸可模拟上述抑制效应，证实乳酸代谢在宿主与共生菌协同拮抗病原菌过程中发挥关键作用。转录组分析进一步揭示果蝇幼虫可特异性诱导植物乳杆菌糖酵解通路相关基因（如pgi、pfkA、gapdh等）高表达，从分子层面促进其乳酸合成效率。

图2.果蝇幼虫刺激植物乳杆菌产生乳酸

随后，研究综合运用宏转录组测序与细菌单细胞RNA测序技术，深入解析了粘质沙雷氏菌在不同生境中基因表达模式。宏转录组结果显示，当与果蝇幼虫及植物乳杆菌共存时，粘质沙雷氏菌代谢途径发生显著重编程：糖酵解通路受到抑制，能量来源转向三羧酸（TCA）循环。该代谢路径可高效利用植物乳杆菌产生的乳酸，推测乳酸可能作为一种中间 信号分子 被粘质沙雷氏菌感知。如所料，外源添加乳酸可显著诱导粘质沙雷氏菌表达多种毒力因子及抗逆境相关基因。因此，粘质沙雷氏菌巧妙地感知植物乳杆菌所产生的乳酸启动自身转录重编程，揭示了微生物间信息交流的新途径。

图3.果蝇幼虫和植物乳杆菌改变粘质沙雷氏菌的转录组表达

单细胞测序结果进一步揭示，粘质沙雷氏菌群体内部存在明显的功能异质性。在同时存在昆虫幼虫和植物乳杆菌的环境中，粘质沙雷氏菌的代谢活动和毒力基因的表达呈现出高度异质性，细菌群体分化为多个功能各异的亚群。例如，部分亚群通过降低糖酵解活性、增强TCA循环活性来适应乳酸的代谢需求；另一些亚群则高水平表达毒力相关基因，以提升其对环境压力的抵抗能力。这种功能异质性反映了粘质沙雷氏菌对外部环境压力的主动适应机制。最后，通过菌落生长指标验证，发现乳酸能够进一步增强毒力基因表达的异质性，从而帮助细菌在竞争激烈的环境中获得生存优势，并提升其整体适应能力。

图4.幼虫和植物乳杆菌刺激粘质葡萄球菌表型异质性

论文通讯作者刘威教授表示： 这项研究不仅阐明了宿主-共生菌-病原体互作的动态网络，还为基于菌群异质性实现微生态功能的精准调控提供了全新的理论依据。例如，通过定向调控乳酸菌代谢或宿主免疫信号，可能成为对抗耐药菌感染的新手段。

安徽农业大学植物保护学院张晟博士生为该论文的第一作者，刘威教授为该论文唯一通讯作者，安徽农业大学作为第一通讯单位，并联合新加坡国立神经科学研究所、南开大学等国内外科研机构共同完成了该研究工作。本论文是继前期发表在《eLife》论文 Hosts Manipulate Lifestyle Switch and Pathogenicity Heterogeneity of Opportunistic Pathogens in the Single-cell Resolution 基础上取得的又一突破性进展。本研究得到了国家自然科学基金（32470044）、安徽省自然科学基金（2308085MC74）和安农大高层次人才引进经费(RC342201)等项目的资助。

刘威教授长期致力于利用果蝇和黑水虻等昆虫进行微生态学基础和应用研究，综合运用分子、细胞、遗传、发育和神经生物学等主要技术，从事微生物对宿主发育、代谢、免疫、神经和行为等调节的基础研究。研究成果发表在Nature Communications, Advanced Science,eLife, Translational Neurodegeneration等国际学术期刊上，获得国家发明专利2项。

版权声明 本网站所有注明“来源：100医药网”或“来源：bioon”的文字、图片和音视频资料，版权均属于100医药网网站所有。非经授权，任何媒体、网站或个人不得转载，否则将追究法律责任。取得书面授权转载时，须注明“来源：100医药网”。其它来源的文章系转载文章，本网所有转载文章系出于传递更多信息之目的，转载内容不代表本站立场。不希望被转载的媒体或个人可与我们联系，我们将立即进行删除处理。

87%用户都在用100医药网APP 随时阅读、评论、分享交流 请扫描二维码下载->

医药网新闻