文章导读
黑水虻是一种以有机残留物为食的腐食昆虫，其生长繁殖速度快，对农业或厨余垃圾等废弃物的转化能力优异，且含有丰富的具有稳定广谱抗菌特性的抗菌肽。目前，国内外对黑水虻的研究主要集中在生物学特性及饲料应用等方面，对其抗菌肽等活性物质的研究较少，尤其是利用转录组学揭示抗菌肽分泌特性方面的研究未见报道。
中国热科院加工所王飞副研究员团队联合广东海洋大学李昆太教授团队基于以上科学问题，在 Insects 期刊上发表了题为“Dietary Influence on Growth, Physicochemical Stability, and Antimicrobial Mechanisms of Antimicrobial Peptides in Black Soldier Fly Larvae”的文章。本文利用转录组学揭示了黑水虻抗菌肽 (AMPs) 分泌特性机制。
研究过程和结果
研究方法
本文首先通过用四种不同的饲养基质饲喂黑水虻探究了黑水虻幼虫 (BSFL) 的生长性能和AMP提取物抗菌活性，并通过抑菌实验评估AMP提取物在不同理化条件下的抗菌活性以研究了其稳定性。接着，通过扫描电镜和流式细胞仪技术检测金黄色葡萄球菌的细胞形态和细胞周期探究AMP提取物对致病菌的抗菌机制。最后，结合转录组学、STRING和GeneMANIA分析以及qRT-PCR实验，揭示黑水虻AMP的分泌和抑菌作用与Toll和IMD信号通路相关。
研究结论
结论1：饲养基质会影响黑水虻幼虫的生长性能和抗菌肽抗菌活性
如图1所示，通过用四种不同的饲养基质 (A：麦麸；B：麦麸：豆饼粉=1:1；C：麦麸：花生饼粉=1:1；D：麦麸：菜籽饼粉=1:1) 饲喂黑水虻，结果发现四种日粮的黑水虻体长和体重均有显著差异 (p < 0.05)，其中麦麸组的BSFL体长和体重均高于D组饲养基质。同样，结果表明与其他三种饲养基质相比，麦麸组中AMPs对金黄色葡萄球菌的抗菌活性最强，这与BSFL的生长结果一致。
图1. 不同饲养基质条件下黑水虻AMP提取物的生长性能和抗菌活性
结论2：黑水虻AMP提取物对不同温度和金属离子具有较强的抗菌活性和稳定性
为了探究黑水虻AMP提取物的理化稳定性，作者用不同的物理化学条件 (紫外照射、盐浓度、金属离子、温度和储存时间等) 处理黑水虻AMP提取物，结果发现紫外线照射和盐浓度对AMP的抗菌活性没有影响；用Cu2+处理后，AMP提取物的抗菌活性比其他五种不同金属离子的抗菌活性显著下降。此外，在不同温度处理条件下，80 ℃时AMP提取物仍保持抗菌活性；并且在4 ℃下保存的AMP的抗菌活性逐渐降低，但在-20 ℃ 和-80 ℃下保存的AMP的抗菌活性有所提高，这表明较低的温度和较长的保存时间对AMP提取物的稳定性有好处 (图2)。
图2. 黑水虻AMP提取物在不同理化条件下的抗菌活性
结论3：黑水虻AMP提取物通过破坏金黄色葡萄球菌 (S. aureus) 的细胞膜和抑制其细胞周期发挥抗菌活性
为探究黑水虻AMP提取物对金黄色葡萄球菌的抗菌机制，作者使用了PI (碘化丙啶) 染色法来检测细胞膜的通透性、通过扫描电镜和TEM观察金黄色葡萄球菌的细胞形态和完整性，以及流式细胞分析法评估了金黄色葡萄球菌细胞的细胞周期进程，结果发现AMP提取物破坏了金黄色葡萄球菌的细胞膜，抑制了金黄色葡萄球菌的细胞周期，进而发挥抗菌活性 (图3)。
图3. 金黄色葡萄球菌对黑水虻细胞膜、细胞完整性和形态及细胞周期的影响
结论4：黑水虻AMPs的分泌和抑菌作用与Toll和IMD信号通路相关
为了进一步探究AMP的抑菌机制，作者利用转录组学数据分析通过GO和KEGG对差异表达基因进行富集分析发现差异表达基因主要富集在Toll和IMD信号通路中；随后，结合STRING、GeneMANIA分析以及qRT-PCR实验进行了验证，揭示了黑水虻AMP的分泌和抑菌作用与Toll和IMD信号通路相关 (图4)。
图4. 转录组学等分析黑水虻AMPs分泌和抗菌机制
研究总结
黑水虻可将各种有机废物 (包括各种来源的食物残渣和动物粪便) 转化为蛋白质资源或其他营养物质，是最具潜力的昆虫之一。本文阐明了不同饲养基质对黑水虻生长和抗菌肽活性的影响，以及抗菌肽的理化特性；结合转录组分析、STRING和GeneMANIA分析及qRT-PCR实验进行了验证，揭示了AMP分泌和抗菌机制与Toll和IMD信号通路有关。本研究结果不仅为黑水虻AMP的分泌和抗菌机制提供了新的参考，也为黑水虻抗菌肽在动物饲料中替代抗生素提供了理论支持
阅读原文：https://www.mdpi.com/3030106
期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/insects
Insects 期刊介绍
主编：Prof. Dr. Brian T. Forschler, University of Georgia, USA
期刊主题涵盖与节肢动物相关的各个方面，包括生物学、生理学、生态学、行为、管理、保护、进化等，以及它们与人类社会、植物、生态系统的关系。
2023 Impact Factor：2.7
2023 CiteScore：5.1
Time to First Decision：17 Days
Acceptance to Publication：2.8 Days
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