Микробиота кишечника тутового шелкопряда (Bombyx mori) участвует в метаболической детоксикации путем глюкозилирования растительных токсинов.

Биология связи, том 6, Номер статьи: 790 (2023) Цитировать эту статью

502 доступа

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Травоядные животные развили способность детоксикации компонентов корма с помощью различных механизмов. Шелкопряд-олигофаг питается листьями Cudrania tricuspidata (CTL) вместо листьев шелковицы с целью производства особого высококачественного шелка. Однако обнаружено, что шелковичные черви, которых кормят CTL, имеют меньшие размеры тела, более медленный рост и более низкую выработку шелка, чем те, которых кормят листьями тутового дерева. Здесь мы показываем, что высокое содержание пренилированных изофлавонов (PIF), которое встречается в CTL, превращается в гликозилированные производные (GPIF) в фекалиях тутового шелкопряда через микробиоту кишечника тутового шелкопряда, и эта биотрансформация является ключевым процессом детоксикации PIF, поскольку обнаружено, что GPIF быть гораздо менее токсичными, что выявлено как in vitro, так и in vivo. Кроме того, добавление Bacillus subtilis в качестве пробиотика для реконструкции микробиоты кишечника может благотворно способствовать росту и развитию тутового шелкопряда. Следовательно, это исследование дает значимые рекомендации по производству шелка путем улучшения адаптивности тутовых червей, получающих CTL.

В природе растения защищаются от травоядных, производя токсичные метаболиты, в то время как травоядные выработали механизмы сопротивления защитным механизмам растений, адаптируясь к преодолению токсического питания1 путем метаболической детоксикации, включая разрушение2, гидролиз3, фосфорилирование и гликозилирование4 токсичных компонентов. Вышеупомянутые события детоксикации были инициированы переносчиками АТФ-связывающих кассет насекомых5, кишечными микробами6,7 или даже горизонтальным переносом генов8,9. Среди этих факторов кишечная микробиота играет важную роль в защите насекомых7,10. Например, сосновая нематода или сосновый долгоносик — это травоядные насекомые, выращенные в хвойных лесах, богатых токсичными терпеноидами, такими как α-пинен и дитерпеновая кислота, кишечная микробиота которых демонстрирует сильную способность разлагать терпеноиды, способствуя приспособленности насекомых11,12. Было обнаружено, что благотворное взаимодействие между насекомыми и их кишечной микробиотой обеспечивает детоксикацию хозяев.

Шелкопряд Bombyx mori, принадлежащий к отряду чешуекрылых Bombycidae, как одно из старейших хозяйственных насекомых для производства шелка, широко культивировался на протяжении долгой истории шелководства в Китае13. Как насекомое-олигофаг, шелкопряды в основном питаются листьями тутового дерева, принадлежащими к семейству растений Moraceae, но могут также питаться листьями Cudrania tricuspidata (CTL)14 того же семейства. Зафиксировано, что шелковичные черви, которых кормили CTL, имеют долгую историю и восходят к древнему китайскому лексикону «Эр-я». Примечательно, что культивированный шелк, произведенный тутовыми червями, питавшимися CTL, по сравнению с шелком тутового дерева или тусса, был намного более жестким, имел стабильную структуру, более высокую прочность на разрыв и лучшие характеристики; особенно подходит для изготовления тетив или тетив15,16; и иногда использовался в качестве специального материала для изготовления одеяний дракона во времена старой династии, упомянутой в «Китайской технологии в семнадцатом веке: Тянь-кун кай-у». Таким образом, CTL постепенно стали альтернативой кормлению тутового шелкопряда при различных методах производства.

Однако шелковичные черви, питавшиеся CTL с меньшей способностью к адаптации, легко имели меньшие размеры тела, более медленный рост17,18 и более низкое производство шелка, чем те, которых кормили другими листьями. Основные причины этого явления неизвестны, хотя сообщалось, что отсутствие адаптации может быть связано с вторичными метаболитами в ЦТЛ, поскольку наблюдается активация карбоксилэстеразы, детоксицирующего метаболического фермента, активность которого регулируется родственными вторичными метаболитами19. Активность карбоксилэстеразы у тутовых шелкопрядов, которых кормили CTL, была выше, чем у тутовых червей, которых кормили листьями тутового дерева, что позволяет предположить, что в CTL существуют токсичные вторичные метаболиты18.

Здесь, путем сравнительного химического исследования CTL и фекалий тутового шелкопряда (SWF), мы обнаружили, что пренилированные изофлавоны (PIF), основные компоненты CTL, превращались в гликозилированные производные (GPIF) в SWF, и токсичность GPIF была значительно снижена. Это преобразование было подтверждено тестом совместного культивирования 6,8-дипренилоробола (ДПЛ), основного компонента ЦТЛ, с кишечными микробами тутового шелкопряда in vitro. Добавление B. subtilis в качестве кишечного пробиотика тутового шелкопряда во время кормления может реконструировать кишечную микробиоту, что измерено с помощью ампликонного секвенирования 16S рДНК, а рост и развитие тутовых шелкопрядов, получавших CTL, значительно улучшились. Наше исследование выявило основной механизм различий в росте тутового шелкопряда при использовании разных кормовых материалов. Мы также предлагаем полезный способ улучшить развитие тутового шелкопряда путем ремоделирования микробиоты кишечника путем добавления пробиотиков во время кормления.