2025年6月28日，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王四寶研究員（通訊作者）聯(lián)合中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)鄭浩教授（通訊作者）、中國(guó)計(jì)量大學(xué)葉方源博士（第一作者），在CELL出版社出版的國(guó)際寄生蟲(chóng)學(xué)權(quán)威期刊Trends in Parasitology在線發(fā)表了題為“Engineering insect–microbe symbiosis: synthetic microbial communities for sustainable insect management”的Forum論文。

該文章聚焦于昆蟲(chóng)與微生物的共生關(guān)系(Symbiosis)，提出了利用合成菌群（Synthetic Microbial Communities,SynComs）調(diào)控昆蟲(chóng)生理行為、病原抗性和生態(tài)適應(yīng)性的新策略，開(kāi)辟了相關(guān)研究與應(yīng)用的新思路。文章系統(tǒng)闡述了SynComs在昆蟲(chóng)-微生物共生系統(tǒng)中的關(guān)鍵生態(tài)與功能特性，重點(diǎn)探討了其在宿主功能重塑與增強(qiáng)、群落穩(wěn)態(tài)維持、代謝互補(bǔ)協(xié)同以及功能互補(bǔ)提升系統(tǒng)魯棒性等方面的調(diào)控作用。此外，結(jié)合昆蟲(chóng)-微生物共生系統(tǒng)的生態(tài)復(fù)雜性與進(jìn)化特異性，文章提出了“自下而上（bottom-up）”與“自上而下（top-down）”兩種SynCom構(gòu)建策略，強(qiáng)調(diào)多組學(xué)數(shù)據(jù)整合、多尺度系統(tǒng)建模，以及“設(shè)計(jì)–構(gòu)建–測(cè)試–學(xué)習(xí)（Design–Build–Test–Learn,DBTL）”迭代優(yōu)化流程在昆蟲(chóng)共生系統(tǒng)研究與應(yīng)用中的重要價(jià)值。該論文為基于合成菌群的昆蟲(chóng)微生態(tài)干預(yù)策略開(kāi)發(fā)奠定了重要的理論基礎(chǔ)，并為病媒控制、益蟲(chóng)保護(hù)、害蟲(chóng)治理及綠色農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提出了新的研究思路和實(shí)踐框架。

研究背景：

昆蟲(chóng)與微生物在長(zhǎng)期的共生進(jìn)化過(guò)程中形成了復(fù)雜而動(dòng)態(tài)的互作關(guān)系。微生物群廣泛定植于昆蟲(chóng)的腸道、體表及其它組織生態(tài)位，深度參與宿主的營(yíng)養(yǎng)代謝、免疫調(diào)節(jié)、病原抑制及發(fā)育調(diào)控等多個(gè)關(guān)鍵生理過(guò)程。近年來(lái)，基于合成生物學(xué)的單菌株工程化改造技術(shù)在增強(qiáng)蚊蟲(chóng)對(duì)瘧原蟲(chóng)及蚊媒病毒等病原體的阻斷能力方面取得了重要進(jìn)展。例如，王四寶研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)基因工程手段改造腸道共生菌Serratia AS1，使其表達(dá)多種抗病原效應(yīng)蛋白，實(shí)現(xiàn)了對(duì)瘧疾、登革熱、寨卡等病原體的直接抑制；鄭浩團(tuán)隊(duì)利用工程化Snodgrassella alvi調(diào)控蜜蜂免疫反應(yīng)，顯著提高其抗病能力。然而，單菌株干預(yù)策略在復(fù)雜的宿主微生態(tài)環(huán)境中仍面臨生態(tài)適應(yīng)性競(jìng)爭(zhēng)、功能擴(kuò)展性受限等挑戰(zhàn)。相比之下， SynComs通過(guò)集成多株具備互補(bǔ)功能和生態(tài)協(xié)同效應(yīng)的微生物成員，展現(xiàn)出更優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)性、功能多樣性和群落穩(wěn)定性，有望成為實(shí)現(xiàn)昆蟲(chóng)微生態(tài)精準(zhǔn)調(diào)控與病媒生物可持續(xù)治理的重要研究方向。

主要論點(diǎn)包括：

1.?昆蟲(chóng)微生物共生系統(tǒng)在宿主生理功能調(diào)控中具有關(guān)鍵作用。昆蟲(chóng)微生物共生系統(tǒng)在宿主生長(zhǎng)發(fā)育、免疫防御與病原抗性等生理過(guò)程中發(fā)揮著不可或缺的調(diào)控作用。例如果蠅腸道微生物Lactiplantibacillus與Acetobacter通過(guò)代謝協(xié)同作用顯著增強(qiáng)宿主的病原抵抗力；而蚊蟲(chóng)腸道中產(chǎn)脂肪酶的Serratia ureilytica Su_N1菌株能直接殺滅瘧原蟲(chóng)。這些發(fā)現(xiàn)凸顯了昆蟲(chóng)-微生物共生網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性與生物學(xué)重要性。然而，傳統(tǒng)的單菌株干預(yù)策略在復(fù)雜的宿主微生態(tài)環(huán)境中仍存在諸多局限，亟需開(kāi)發(fā)更高效、穩(wěn)定且可控的微生態(tài)干預(yù)體系。

2.?SynComs實(shí)現(xiàn)多功能宿主調(diào)控的新策略。針對(duì)單菌株存在的局限性，作者提出通過(guò)整合生態(tài)位互補(bǔ)性與代謝協(xié)同能力的多株微生物成員，構(gòu)建功能多樣的合成菌群。該策略可同時(shí)實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)重塑、病原抑制以及宿主免疫激活等多重生理調(diào)控目標(biāo)。與傳統(tǒng)單菌干預(yù)相比，SynComs在生態(tài)適應(yīng)性、功能互補(bǔ)性和群落穩(wěn)定性等方面表現(xiàn)出更強(qiáng)的魯棒性和功能擴(kuò)展?jié)摿Γ宫F(xiàn)了在宿主微生態(tài)精準(zhǔn)調(diào)控領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。

3.?雙路徑策略與DBTL迭代優(yōu)化助力SynComs的理性設(shè)計(jì)與功能強(qiáng)化。針對(duì)昆蟲(chóng)腸道微生態(tài)的復(fù)雜性與空間異質(zhì)性，作者提出了“自下而上”和“自上而下”兩種主要的SynComs構(gòu)建策略。“自下而上”策略基于多組學(xué)數(shù)據(jù)分析與代謝功能解析，篩選具有特定生態(tài)位和明確功能的菌株，通過(guò)人工定向組裝實(shí)現(xiàn)功能整合；而“自上而下”策略則基于宿主或環(huán)境選擇壓力，從天然菌群中識(shí)別并篩選對(duì)群落穩(wěn)態(tài)和宿主功能有積極貢獻(xiàn)的關(guān)鍵菌株，并進(jìn)行定向優(yōu)化。兩種策略可根據(jù)研究目標(biāo)靈活選擇或聯(lián)合應(yīng)用，并結(jié)合DBTL的迭代優(yōu)化流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)菌群組裝、定殖動(dòng)力學(xué)及功能輸出的精準(zhǔn)調(diào)控?；谏鲜霾呗裕髡哌M(jìn)一步提出了適用于昆蟲(chóng)體系的合成菌群設(shè)計(jì)范式與理論框架，為昆蟲(chóng)合成菌群的理性設(shè)計(jì)與應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

4.?昆蟲(chóng)微生物共生系統(tǒng)成為SynComs功能驗(yàn)證與宿主互作機(jī)制研究的理想模型。文章特別強(qiáng)調(diào)了果蠅、蚊蟲(chóng)、黑水虻、蜜蜂等昆蟲(chóng)模式動(dòng)物在合成菌群研究中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。這些昆蟲(chóng)模型具有生命周期短、表型多樣、易于建立可控微生物狀態(tài)（如無(wú)菌或控菌模型）等特點(diǎn)，并擁有成熟的基因操作工具（如CRISPR/Cas9）和豐富的遺傳資源。這些優(yōu)勢(shì)不僅有利于開(kāi)展高通量篩選與定量表型分析，還為精準(zhǔn)操控宿主遺傳背景與微生物群落結(jié)構(gòu)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。此外，昆蟲(chóng)模型在多組學(xué)數(shù)據(jù)整合、宿主-微生物信號(hào)通路解析、免疫與代謝網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機(jī)制等等方面也展現(xiàn)出巨大潛力。因此，昆蟲(chóng)模式系統(tǒng)成為驗(yàn)證SynComs生態(tài)功能、解析宿主-微生物互作機(jī)制以及探索宿主遺傳背景對(duì)微生態(tài)干預(yù)效應(yīng)影響的理想模型，為未來(lái)微生物組工程與生態(tài)干預(yù)策略的開(kāi)發(fā)提供了關(guān)鍵支撐。

創(chuàng)新性與意義：

本研究首次系統(tǒng)性提出將合成菌群（SynComs）策略應(yīng)用于昆蟲(chóng)微生態(tài)重塑，為構(gòu)建穩(wěn)健性強(qiáng)、可控性高、功能可預(yù)測(cè)且生物學(xué)效應(yīng)增強(qiáng)的共生菌干預(yù)體系提供了新的理論框架與技術(shù)路徑。通過(guò)人工整合具有生態(tài)位互補(bǔ)性與代謝協(xié)同效應(yīng)的多株微生物成員，實(shí)現(xiàn)對(duì)昆蟲(chóng)微生物共生系統(tǒng)的精準(zhǔn)調(diào)控，可同時(shí)賦予宿主免疫激活、病原抑制、營(yíng)養(yǎng)代謝干預(yù)等多重生物學(xué)功能。結(jié)合“自下而上”和“自上而下”雙路徑構(gòu)建策略，以及DBTL迭代優(yōu)化流程，構(gòu)建出功能穩(wěn)健、可控可預(yù)測(cè)的微生態(tài)干預(yù)體系。依托昆蟲(chóng)模型的遺傳工具與高通量篩選優(yōu)勢(shì)，SynComs為病媒控制、益蟲(chóng)保護(hù)及蟲(chóng)媒病阻斷等領(lǐng)域提供了一種綠色、可持續(xù)的微生態(tài)干預(yù)新策略。

展望：

文章同時(shí)指出，昆蟲(chóng)SynComs應(yīng)用仍面臨多方面挑戰(zhàn)，包括菌株遺傳改造的技術(shù)難度、昆蟲(chóng)腸道微生物群的時(shí)空異質(zhì)性、環(huán)境釋放過(guò)程中的生物安全性評(píng)估和監(jiān)管體系缺乏等問(wèn)題。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，作者提出可借助多組學(xué)數(shù)據(jù)整合、人工智能（AI）建模、空間代謝成像以及可編程“自毀開(kāi)關(guān)”等前沿技術(shù)手段，進(jìn)一步提升SynComs的功能穩(wěn)定性、定殖可控性與生態(tài)安全性。隨著微生物組學(xué)、合成生物學(xué)與基因編輯技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，SynComs 有望成為蟲(chóng)媒病控制、益蟲(chóng)保護(hù)及可持續(xù)農(nóng)業(yè)管理的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)引擎，推動(dòng)昆蟲(chóng)微生態(tài)干預(yù)策略的轉(zhuǎn)化應(yīng)用與生態(tài)安全實(shí)施。

該項(xiàng)工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目資助。文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.pt.2025.06.003

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