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營養(yǎng)性內(nèi)共生（nutritional endosymbiosis）廣泛存在于自然界，在生物適應與進化中發(fā)揮核心作用。宿主細胞容納胞內(nèi)細菌，形成“代謝工廠”，依賴宿主與內(nèi)共生菌間廣泛的代謝交換。相比寄生關系中營養(yǎng)劫持機制的研究，胞內(nèi)互惠共生中的營養(yǎng)轉(zhuǎn)移機制仍鮮為人知。盡管基因組與轉(zhuǎn)錄組研究表明宿主轉(zhuǎn)運蛋白基因家族擴增，但內(nèi)共生菌基因組常保留極少轉(zhuǎn)運蛋白基因，內(nèi)共生菌如何從宿主攝取營養(yǎng)、細菌間如何交換代謝物，仍是未解之謎。
本研究以米谷象蟲（Sitophilus oryzae）及其內(nèi)共生菌Sodalis pierantonius為模型。S. pierantonius為宿主提供谷物中稀缺的維生素、輔因子及氨基酸，尤其是芳香族氨基酸苯丙氨酸（用于角質(zhì)層合成，增強抗干燥與生物脅迫能力）。細菌保留完整莽草酸途徑，從碳水化合物代謝生成苯丙氨酸。無共生蟲谷象蟲無法在純淀粉飲食上發(fā)育，而共生個體可正常發(fā)育，表明細菌可利用碳水化合物增殖并補充宿主營養(yǎng)。細菌細胞轉(zhuǎn)錄組顯示糖酵解與多醇途徑高度活躍，富含碳水化合物。本研究結(jié)合高壓冷凍（HPF）、體積電子顯微鏡與原位高分辨率化學分析，揭示內(nèi)共生菌如何高效獲取宿主碳水化合物。
Figure 1. Graph abstract
宿主腸上皮形成廣泛且極化的囊泡網(wǎng)絡
研究發(fā)現(xiàn)，谷象蟲幼蟲細菌器官與腸腔無直接接觸，為闡明飲食營養(yǎng)如何抵達，采用高壓冷凍結(jié)合透射電鏡觀察腸道與細菌器官，發(fā)現(xiàn)腸上皮細胞內(nèi)存在密集囊泡網(wǎng)絡。進一步通過Rab5與Rab7免疫熒光標記顯示，Rab5集中于頂端（腸腔側(cè)）、Rab7偏向基底（細菌器官側(cè)），形成顯著極性分布。無共生幼蟲中Rab5極性減弱，表明內(nèi)共生菌存在增強宿主囊泡極化。該極化格局提示活躍的轉(zhuǎn)胞作用機制，實現(xiàn)碳水化合物等營養(yǎng)物從腸腔至細菌器官的高效跨上皮運輸，為內(nèi)共生菌營養(yǎng)獲取提供上游通道。
Figure 2. 宿主腸道上皮表現(xiàn)出廣泛且極化的囊泡網(wǎng)絡
內(nèi)共生菌形成眾多管狀膜延伸結(jié)構(gòu)
研究在細菌細胞胞質(zhì)染色中意外發(fā)現(xiàn)大量膜物質(zhì)充斥于內(nèi)共生菌間，確認S. pierantonius直接位于宿主胞質(zhì)、無共生體膜包圍。超微結(jié)構(gòu)分析揭示直徑約20 nm、長超200 nm的管狀結(jié)構(gòu)源自細菌外膜，分布于細菌間或細菌-囊泡間。免疫金標記驗證其含細菌特異性外膜組分，確立細菌起源。電子斷層掃描顯示管狀物沿細菌縱向排列，反復錨定外膜并相互連接，形成復雜三維網(wǎng)絡——tubenets，遠超傳統(tǒng)納米管的孤立線性特征。
Figure 3. 內(nèi)共生體在細菌細胞內(nèi)部產(chǎn)生大量管狀膜質(zhì)延伸結(jié)構(gòu)
Tubenets貫穿S. oryzae幼蟲、蛹、成蟲全生命周期，并在高共生負載的S. zeamais中廣泛存在，而缺失于基因組高度縮減的古老內(nèi)共生菌宿主（R. dominica、O. surinamensis）及低負載S. granarius。此分布模式表明tubenets為S. pierantonius主動構(gòu)建的膜網(wǎng)絡，隨細菌生長強度與宿主營養(yǎng)需求同步演化，顯著擴展細菌-宿主胞質(zhì)接觸界面，為營養(yǎng)交換奠定結(jié)構(gòu)基礎。
Figure 4. S. oryzae各生命階段及其它鞘翅目昆蟲物種中管狀體的流行情況
內(nèi)共生菌tubenets與宿主囊泡富含碳水化合物
選取年輕成蟲階段（細菌為角質(zhì)層合成提供氨基酸的關鍵期），采用STXM原位解析碳化學組成。從4組圖像棧提取85個ROI碳譜，經(jīng)背景校正與Z分數(shù)歸一化后聚類分析顯示，tubenets與宿主囊泡碳譜高度相似，而與線粒體、細菌胞質(zhì)、宿主胞質(zhì)顯著區(qū)分。與標準譜庫相關分析進一步表明，tubenets與囊泡譜強烈關聯(lián)碳水化合物，而其他區(qū)域偏向蛋白質(zhì)與氨基酸。像素級相關映射直觀可視化該富集格局，確立tubenets與囊泡在碳水化合物含量上的化學等價性。
Figure 5. 細菌組分碳含量的STEM分析
參考譜建模顯示tubenets譜擬合依賴更高碳水化合物系數(shù)，統(tǒng)計比較確認其與囊泡無顯著差異，但顯著高于其余ROI。腸道HPLC揭示主要可溶糖為葡萄糖，S. pierantonius高表達PTS葡萄糖/乙酰葡糖胺轉(zhuǎn)運體（ptsG、crr、nagE）及OmpC，提示糖類經(jīng)tubenets被動擴散并主動導入。綜合分析表明，tubenets與囊泡形成碳水化合物協(xié)同通道，支持細菌從宿主胞質(zhì)高效攝取代謝底物。
Figure 6. 昆蟲腸道中存在的主要簡單碳水化合物和內(nèi)共生體膜中存在的葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白
本研究揭示內(nèi)共生菌使用復雜膜狀管網(wǎng)（tubenets）從宿主細胞內(nèi)獲取營養(yǎng)，特別是碳水化合物。這些結(jié)構(gòu)通過增加細菌-宿主胞質(zhì)界面、可能與宿主囊泡融合或細菌間轉(zhuǎn)移，促進碳水化合物獲取，支持細菌生長和宿主氨基酸生產(chǎn)。tubenets代表細菌進化出的“生物策略”，類似于多細胞生物中的小腸微絨毛或根系，以增強營養(yǎng)吸收。這種適應在Sitophilus/Sodalis關聯(lián)中支持生態(tài)位擴展。該發(fā)現(xiàn)強調(diào)胞內(nèi)共生依賴大量代謝交換，并暗示在其他共生中可能存在收斂適應。
AtaGenix為本研究提供了針對Braun脂蛋白（Lpp）的兔源多克隆抗血清（anti-Lpp antibody）。該抗體用于免疫金標記實驗，特異性識別連接細菌肽聚糖與外膜的關鍵蛋白Lpp，結(jié)合脂質(zhì)A與OmpC標記，確鑿證明管狀網(wǎng)絡（tubenets）源自S. pierantonius外膜，為其細菌起源與膜連續(xù)性提供核心蛋白證據(jù)。
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