Honeybee gut microbiota promotes host weight gain via bacterial metabolism and hormonal signaling

蜜蜂腸道微生物群通過細菌代謝和激素信號促進宿主體重增加

來源：PNAS Early Edition March 24, 2017

 

一、論文摘要

本研究發現，蜜蜂的腸道微生物群通過其代謝活動顯著促進了宿主體重的增加。研究者通過比較擁有正常腸道菌群（CV）和無菌（GF）的蜜蜂發現，CV蜜蜂的整體體重和腸道重量增長更為顯著。這種促進作用是通過細菌代謝和宿主激素信號通路介導的：腸道微生物發酵產生的短鏈脂肪酸（SCFAs）降低了腸道內的pH值和氧化還原電位，并進而影響了宿主的卵黃蛋白原（Vg）和胰島素/胰島素樣信號（IIS）通路的表達，最終增強了宿主對蔗糖的敏感性（即“饑餓感”），促進了營養吸收和體重增長。研究還利用微電極等技術揭示了微生物在腸道內創造的獨特物理化學環境（如氧氣梯度）。這些發現表明，蜜蜂的腸道微生物在促進宿主生長方面發揮著與人類等動物類似的基本作用，使其成為研究宿主-微生物相互作用的理想模型。

二、研究目的

本研究旨在深入探究一個尚未被充分闡釋的問題：蜜蜂的專性腸道微生物群究竟如何影響宿主的生理機能。盡管已知蜜蜂擁有一個簡單而特化的腸道菌群，并且其對于抵抗病原體等方面有重要作用，但微生物群對宿主生理（如生長、代謝、激素調控）的具體貢獻尚不明確。本研究的具體目的包括：

 

量化腸道微生物對蜜蜂宿主體重增長的影響。

揭示其潛在作用機制，包括對宿主激素信號通路（如胰島素信號）和行為（如味覺敏感性）的調控。

描繪腸道微生物如何塑造腸道內部的物理化學微環境（如氧氣、pH值）。

 

分析微生物代謝如何改變腸道和血淋巴中的代謝物譜，從而直接影響宿主營養。

 

三、研究思路

研究遵循了嚴格的“對比-關聯-機制”思路：

 

創建實驗模型：在實驗室無菌條件下，通過從蜂巢中取出蛹并使其羽化，獲得無菌（GF）蜜蜂。通過給新羽化的GF蜜蜂喂食成年工蜂的腸道內容物，獲得擁有正常菌群（CV）的蜜蜂。這創造了可對比的實驗組。

多維度表型測量：系統比較GF和CV蜜蜂在體重增長、腸道重量、基因表達（IIS通路相關基因）、行為（蔗糖敏感性）等方面的差異。

微環境精準測量：使用丹麥Unisense微電極等高精度工具，直接測量蜜蜂腸道不同部位的氧氣濃度、pH值和氧化還原電位，揭示微生物創造的物理化學梯度。

代謝物分析：通過高效液相色譜（HPLC）和非靶向代謝組學（GC-MS）分析，定量檢測短鏈脂肪酸（SCFA）的濃度并全面比較GF和CV蜜蜂腸道內容物及血淋巴中的代謝物差異，從化學角度尋找微生物影響宿主的證據。

 

數據整合與機制提出：將表型數據、微環境數據和代謝數據相結合，提出微生物通過代謝產物（SCFAs）→ 影響激素信號（IIS/Vg）→ 改變宿主行為與代謝 → 最終促進體重增長的作用模型。

 

四、測量數據、研究意義及來源

研究者測量了多個層面的數據，其意義和來源如下：

 

宿主體重與腸道重量：連續測量蜜蜂的整體濕重以及中腸、回腸和直腸的重量。

 

研究意義：這是最直接的表型證據，證明了腸道微生物對宿主生長的促進作用。CV蜜蜂體重增加比GF蜜蜂高82%，表明微生物是正常生長發育所必需的。

 

數據來源：體重增長曲線和最終腸道重量數據展示在 文檔圖1中。

 

激素信號通路基因表達：通過qPCR測量了胰島素樣肽（ilp1, ilp2）、胰島素受體（inR1, inR2）和卵黃蛋白原（Vg）基因的表達水平。

 

研究意義：將微生物的存在與宿主內在的激素調控網絡聯系起來。CV蜜蜂中這些基因的表達顯著上調，表明微生物通過增強胰島素信號通路來驅動生長。

 

數據來源：基因表達差異的顯著結果總結在 文檔圖1D中。

 

行為反應：蔗糖敏感性：通過測量蜜蜂的吻伸反射來評估其對不同濃度蔗糖溶液的敏感性。

 

研究意義：將生理變化與行為聯系起來。CV蜜蜂對更低濃度的蔗糖產生反應，表明它們處于一種“更饑餓”的狀態，這驅動了更高的攝食動機，從而解釋了體重增加的行為機制。

 

數據來源：蔗糖敏感性測試結果展示在 文檔圖1E中。

 

腸道物理化學條件：使用微電極測量腸道內的氧氣濃度、pH值和氧化還原電位。

 

研究意義：直接揭示了微生物活動如何從根本上改變其生存的微環境，這對于理解厭氧菌的功能至關重要。

 

數據來源：氧氣徑向梯度、pH和氧化還原電位沿腸道軸線的剖面圖展示在 文檔圖2A和2C中。

 

短鏈脂肪酸（SCFA）濃度：定量檢測了回腸、直腸和血淋巴中的乙酸、丙酸等SCFA的含量。

 

研究意義：提供了關鍵的代謝物證據。SCFAs是微生物發酵的主要產物，在CV蜜蜂腸道中濃度極高，它們既是直接的能量物質，也是調控宿主生理的信號分子。

 

數據來源：各部位SCFA濃度數據展示在 文檔圖2D中。

 

非靶向代謝組學譜：通過GC-MS全面分析了腸道各部位和血淋巴的代謝物。

 

研究意義：宏觀地展示了微生物對宿主整體代謝狀態的“重塑”作用。發現CV蜜蜂腸道中半乳糖醛酸（果膠成分）等植物聚合物降解產物的積累，證明微生物幫助宿主消化花粉等復雜食物。

 

數據來源：主成分分析（PCA）顯示GF和CV蜜蜂代謝譜顯著分離，結果展示在 文檔圖3中。

 

五、研究結論

 

腸道微生物是蜜蜂正常生長所必需的：擁有正常菌群的蜜蜂（CV）其體重和腸道重量顯著大于無菌蜜蜂（GF），證明微生物群對宿主的生長發育有直接的促進作用。

作用機制涉及激素信號和行為調控：微生物通過增強宿主的胰島素/胰島素樣信號（IIS）通路和卵黃蛋白原（Vg）的表達，提高了宿主對糖的敏感性（“饑餓感”），從而可能促使宿主攝入更多營養，導致體重增加。

微生物塑造了獨特的腸道微環境：腸道菌群，特別是定植在腸壁的Snodgrassella alvi，通過消耗氧氣，在腸道內維持了一個從腸壁的微氧到腸腔的絕對厭氧的梯度。同時，微生物發酵產物（如SCFAs）顯著降低了腸道的pH值。

微生物代謝直接貢獻于宿主營養：微生物能夠降解蜜蜂自身難以消化的植物多糖（如果膠），產生短鏈脂肪酸（如乙酸、丙酸）等小分子代謝物。這些代謝物不僅能被宿主吸收利用，還能作為信號分子調控宿主生理。

 

蜜蜂作為模型的有效性：本研究揭示了蜜蜂腸道微生物在促進生長、調控信號和塑造環境方面的功能，與哺乳動物（包括人類）的腸道菌群功能具有高度相似性，從而確立了蜜蜂作為研究宿主-微生物共生關系的強大模型系統的地位。

 

六、丹麥Unisense電極測量數據的研究意義詳解

在本研究中，丹麥Unisense微電極被用于高空間分辨率地直接測量蜜蜂腸道內部的氧氣濃度、pH值和氧化還原電位。這些數據并非簡單的環境參數記錄，而是理解微生物功能的關鍵。

其研究意義極為深遠，主要體現在以下幾個方面：

 

首次精確揭示蜜蜂腸道內部的“氧氣地形圖”：Unisense氧微電極的尖端極細（約50微米），能夠像“探針”一樣插入微小的蜜蜂腸道，繪制出從腸壁到腸腔中心的氧氣濃度變化曲線。數據顯示，在擁有正常菌群（CV）的蜜蜂回腸中，氧氣濃度從腸壁向內部急劇下降，在深入腸腔僅150-200微米處即降為0%，形成了一個外圍微氧、中心厭氧的鮮明梯度。而在無菌（GF）蜜蜂的回腸中心，仍能檢測到約1%的氧氣。這幅精確的“地圖”證明，腸道微生物（特別是S. alvi）是主要的氧氣消耗者，主動營造并維持了一個嚴格的厭氧核心區**。

為理解微生物的空間布局和功能提供機制性解釋：這種氧氣梯度完美地解釋了不同菌種為何定植在腸道的特定位置。例如，需氧菌S. alvi生活在近腸壁的微氧區，利用從宿主組織擴散來的氧氣進行呼吸；而嚴格厭氧的Lactobacillusspp. 則生存在它創造的厭氧腸腔中心。Unisense的數據將微生物的空間生態位與其生理需求（好氧/厭氧）直接聯系起來，揭示了菌群內部通過代謝互作共同塑造微環境的生態規律。

將物理化學環境與宿主生理健康聯系起來：電極測量的低pH值和變化的氧化還原電位，是微生物旺盛發酵活動的直接結果（如產生大量短鏈脂肪酸）。這種酸性環境不僅影響營養物質的溶解和吸收，還可能抑制病原菌的生長。因此，Unisense測量的不僅是條件，更是微生物群落代謝活性的綜合指標，反映了腸道生態系統的“健康”狀態。

 

驗證體外推測并建立體內外關聯：研究人員在體外實驗中發現S. alvi能夠利用乙酸進行耗氧呼吸。Unisense在體內測量的氧氣梯度為這一體外發現提供了堅實的體內證據，證實了S. alvi在體內確實扮演著“腸道氧氣清道夫”的角色，從而將分子機制與整體生態功能完美銜接。

 

總結：丹麥Unisense微電極在本研究中扮演了 “微環境偵探”的角色。它提供的高分辨率原位物理化學數據，將宏觀的菌群效應（促進生長）與微觀的腸道微環境（氧氣梯度、pH）直接耦合起來。沒有這些數據，對微生物如何影響宿主的理解將停留在相關性和推測層面；而Unisense的數據使其上升到了因果關系和機制闡釋的層面，令人信服地展示了微生物活動如何物理地改造其棲息地，并進而影響整個宿主的生理狀態。這是證明“微生物塑造環境以利己并利他”這一生態學核心概念的最直觀、最有力的證據之一。