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2025年6月28日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心王四寶研究員（通訊作者）聯合中國農業大學鄭浩教授（通訊作者）、中國計量大學葉方源博士（第一作者），在CELL出版社出版的國際寄生蟲學權威期刊Trends in Parasitology在線發表了題為“Engineering insect–microbe symbiosis: synthetic microbial communities for sustainable insect management”的Forum論文。

該文章聚焦于昆蟲與微生物的共生關系(Symbiosis)，提出了利用合成菌群（Synthetic Microbial Communities,SynComs）調控昆蟲生理行為、病原抗性和生態適應性的新策略，開辟了相關研究與應用的新思路。文章系統闡述了SynComs在昆蟲-微生物共生系統中的關鍵生態與功能特性，重點探討了其在宿主功能重塑與增強、群落穩態維持、代謝互補協同以及功能互補提升系統魯棒性等方面的調控作用。此外，結合昆蟲-微生物共生系統的生態復雜性與進化特異性，文章提出了“自下而上（bottom-up）”與“自上而下（top-down）”兩種SynCom構建策略，強調多組學數據整合、多尺度系統建模，以及“設計–構建–測試–學習（Design–Build–Test–Learn,DBTL）”迭代優化流程在昆蟲共生系統研究與應用中的重要價值。該論文為基于合成菌群的昆蟲微生態干預策略開發奠定了重要的理論基礎，并為病媒控制、益蟲保護、害蟲治理及綠色農業的可持續發展提出了新的研究思路和實踐框架。

研究背景：

昆蟲與微生物在長期的共生進化過程中形成了復雜而動態的互作關系。微生物群廣泛定植于昆蟲的腸道、體表及其它組織生態位，深度參與宿主的營養代謝、免疫調節、病原抑制及發育調控等多個關鍵生理過程。近年來，基于合成生物學的單菌株工程化改造技術在增強蚊蟲對瘧原蟲及蚊媒病毒等病原體的阻斷能力方面取得了重要進展。例如，王四寶研究團隊通過基因工程手段改造腸道共生菌Serratia AS1，使其表達多種抗病原效應蛋白，實現了對瘧疾、登革熱、寨卡等病原體的直接抑制；鄭浩團隊利用工程化Snodgrassella alvi調控蜜蜂免疫反應，顯著提高其抗病能力。然而，單菌株干預策略在復雜的宿主微生態環境中仍面臨生態適應性競爭、功能擴展性受限等挑戰。相比之下， SynComs通過集成多株具備互補功能和生態協同效應的微生物成員，展現出更優異的環境適應性、功能多樣性和群落穩定性，有望成為實現昆蟲微生態精準調控與病媒生物可持續治理的重要研究方向。

主要論點包括：

1.?昆蟲微生物共生系統在宿主生理功能調控中具有關鍵作用。昆蟲微生物共生系統在宿主生長發育、免疫防御與病原抗性等生理過程中發揮著不可或缺的調控作用。例如果蠅腸道微生物Lactiplantibacillus與Acetobacter通過代謝協同作用顯著增強宿主的病原抵抗力；而蚊蟲腸道中產脂肪酶的Serratia ureilytica Su_N1菌株能直接殺滅瘧原蟲。這些發現凸顯了昆蟲-微生物共生網絡的復雜性與生物學重要性。然而，傳統的單菌株干預策略在復雜的宿主微生態環境中仍存在諸多局限，亟需開發更高效、穩定且可控的微生態干預體系。

2.?SynComs實現多功能宿主調控的新策略。針對單菌株存在的局限性，作者提出通過整合生態位互補性與代謝協同能力的多株微生物成員，構建功能多樣的合成菌群。該策略可同時實現營養重塑、病原抑制以及宿主免疫激活等多重生理調控目標。與傳統單菌干預相比，SynComs在生態適應性、功能互補性和群落穩定性等方面表現出更強的魯棒性和功能擴展潛力，展現了在宿主微生態精準調控領域的廣闊應用前景。

3.?雙路徑策略與DBTL迭代優化助力SynComs的理性設計與功能強化。針對昆蟲腸道微生態的復雜性與空間異質性，作者提出了“自下而上”和“自上而下”兩種主要的SynComs構建策略?！白韵露稀辈呗曰诙嘟M學數據分析與代謝功能解析，篩選具有特定生態位和明確功能的菌株，通過人工定向組裝實現功能整合；而“自上而下”策略則基于宿主或環境選擇壓力，從天然菌群中識別并篩選對群落穩態和宿主功能有積極貢獻的關鍵菌株，并進行定向優化。兩種策略可根據研究目標靈活選擇或聯合應用，并結合DBTL的迭代優化流程，實現對菌群組裝、定殖動力學及功能輸出的精準調控?；谏鲜霾呗裕髡哌M一步提出了適用于昆蟲體系的合成菌群設計范式與理論框架，為昆蟲合成菌群的理性設計與應用奠定了理論基礎。

4.?昆蟲微生物共生系統成為SynComs功能驗證與宿主互作機制研究的理想模型。文章特別強調了果蠅、蚊蟲、黑水虻、蜜蜂等昆蟲模式動物在合成菌群研究中的獨特優勢。這些昆蟲模型具有生命周期短、表型多樣、易于建立可控微生物狀態（如無菌或控菌模型）等特點，并擁有成熟的基因操作工具（如CRISPR/Cas9）和豐富的遺傳資源。這些優勢不僅有利于開展高通量篩選與定量表型分析，還為精準操控宿主遺傳背景與微生物群落結構提供強有力的技術支撐。此外，昆蟲模型在多組學數據整合、宿主-微生物信號通路解析、免疫與代謝網絡調控機制等等方面也展現出巨大潛力。因此，昆蟲模式系統成為驗證SynComs生態功能、解析宿主-微生物互作機制以及探索宿主遺傳背景對微生態干預效應影響的理想模型，為未來微生物組工程與生態干預策略的開發提供了關鍵支撐。

創新性與意義：

本研究首次系統性提出將合成菌群（SynComs）策略應用于昆蟲微生態重塑，為構建穩健性強、可控性高、功能可預測且生物學效應增強的共生菌干預體系提供了新的理論框架與技術路徑。通過人工整合具有生態位互補性與代謝協同效應的多株微生物成員，實現對昆蟲微生物共生系統的精準調控，可同時賦予宿主免疫激活、病原抑制、營養代謝干預等多重生物學功能。結合“自下而上”和“自上而下”雙路徑構建策略，以及DBTL迭代優化流程，構建出功能穩健、可控可預測的微生態干預體系。依托昆蟲模型的遺傳工具與高通量篩選優勢，SynComs為病媒控制、益蟲保護及蟲媒病阻斷等領域提供了一種綠色、可持續的微生態干預新策略。

展望：

文章同時指出，昆蟲SynComs應用仍面臨多方面挑戰，包括菌株遺傳改造的技術難度、昆蟲腸道微生物群的時空異質性、環境釋放過程中的生物安全性評估和監管體系缺乏等問題。為應對這些挑戰，作者提出可借助多組學數據整合、人工智能（AI）建模、空間代謝成像以及可編程“自毀開關”等前沿技術手段，進一步提升SynComs的功能穩定性、定殖可控性與生態安全性。隨著微生物組學、合成生物學與基因編輯技術的持續發展，SynComs 有望成為蟲媒病控制、益蟲保護及可持續農業管理的創新驅動引擎，推動昆蟲微生態干預策略的轉化應用與生態安全實施。

該項工作得到了國家重點研發項目資助。文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.pt.2025.06.003

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