宿主-肠道菌是否存在互作、又如何影响动物的适应性？这是演化生物学领域的一大前沿问题。蜜蜂属昆虫为此提供了理想研究模型。起源于热带地区的东、西方蜜蜂（Apis cerana、A. mellifera）在演化过程中适应了低温环境并完成了温带扩张。对多样化环境的适应为蜜蜂完成重要的传粉生态服务功能奠定了生物学基础。然而，冷适应蜜蜂的抗寒机制及宿主-肠道菌互作在其中的作用机制尚不明晰。

近日，我室周欣团队在npj Biofilms and Microbiomes发表研究论文“Honeybee-Gilliamella synergy in carbohydrate metabolism enhances host thermogenesis in cold acclimation” 。研究揭示蜜蜂适应寒冷气候的“秘密武器” 之一，竟然是肠道内的一种共生菌—— Gilliamella。这种微生物不仅帮助蜜蜂消化花粉多糖，还通过代谢协作提升蜜蜂的产热和储脂能力，可能是蜜蜂成功适应温带气候的重要因素之一。该研究不仅关注宿主及共生菌各自的适应特征，更进一步从宿主—共生菌互作的整体视角出发，系统解析并绘制出协同抗寒的机制图谱。

助力共同目标：细菌让蜜蜂更能“抗冻”

通过比较六种蜜蜂（包括耐寒的东、西方蜜蜂，以及四种热带蜜蜂）肠道菌群，该研究发现耐寒蜜蜂体内显著富集Gilliamella 等肠道细菌。限菌定植实验证实，接种Gilliamella的蜜蜂脂肪含量显著升高，体温也更高，行为更活跃，表现出更强的抗寒能力。

对比六种蜜蜂基因组发现，耐寒物种基因组中负责脂质合成的关键基因ELOVL6发生了显著扩张，该基因在哺乳动物中决定棕色脂肪产热能力。同时，东、西方蜜蜂均拥有更多的用于生成丙酮酸和葡萄糖的相关基因，为产热提供能量基础。更令人惊讶的是，Gilliamella 定植后蜜蜂的脂肪呈现出多房小脂滴的形态，与哺乳动物的棕色脂肪相似；而无菌蜂中出现单房大脂滴，类似白色脂肪。这些发现提示，产热脂肪可能也是非哺乳动物寒冷适应的重要机制。

不只是消化：微生物与蜜蜂的“能量联盟”

宏基因组和细菌基因组分析揭示，Gilliamella 不仅能高效降解β-葡聚糖产生葡萄糖，还能降解葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸产生丙酮酸。这些产物正是合成脂肪和产热的关键能量物质。

有趣的是，Gilliamella 在“制造”这些能量物质后，自己却消耗得很少——这意味着大部分的葡萄糖和丙酮酸都被“让”给了蜜蜂使用。这种“自我克制” 的共生方式可以助力蜜蜂储脂产热。

“Gilliamella 就像蜜蜂肠道里的能量助手，” 本文的第一和共同通讯作者唐敏博士表示，“它帮助蜜蜂把花粉中的复杂碳源转化为关键能量货币，供给宿主产热和抗寒。”

共生适应之路：互馈互助、协同御寒

转录组及代谢组数据进一步证实，接种Gilliamella后的蜜蜂后肠中葡萄糖含量升高。对应的，蜜蜂后肠中与葡萄糖和丙酮酸利用相关的基因表达上调。同时，蜜蜂提高了葡萄糖醛酸的生产和分泌以回馈共生菌——这一过程进一步促进共生菌生产更多的丙酮酸。

值得注意的是，葡萄糖醛酸的积累对蜜蜂有毒性，但可为Gilliamella提供碳源。而与热带蜜蜂物种相比，耐寒蜜蜂具有更高拷贝数的葡萄糖醛酸合成基因，保障该物质的生产。巧妙合拍的是，相较于葡萄糖，Gilliamella更偏好葡萄糖醛酸。虽然这一食物偏好限制了其自身增殖总量的增加，但细菌量的减少进一步降低了自身对葡萄糖和丙酮酸的需求。

蜜蜂也可转化葡萄糖醛酸为抗坏血酸（维生素C）来缓冲毒性，并且在接种Gilliamella后向后肠中分泌更多的维生素C。而Gilliamella虽不能合成维生素C，却分配最多的转运蛋白基因吸收维生素C，并将其代谢为可以促进脂质合成的木酮糖-5-磷酸。同时，Gilliamella用于下游核苷酸合成的基因数目较少，造成木酮糖-5-磷酸积累增加，并减缓自身增殖。

这种“菌群让渡增殖机会，宿主承担代谢风险”的互利策略成为蜜蜂适应性扩张的共生引擎。该研究揭示了宿主-肠道菌千万年磨合出的代谢“契约” ，为探索微生物如何参与动物环境适应、长期进化过程中共生关系的演化提供了新证据、新视角和新框架。

本研究是西交利物浦大学助理教授唐敏博士在中国农业大学博士学习期间的课题工作。唐敏博士为论文第一作者，并与中国农业大学植物保护学院周欣教授、中科院动物所刘山林研究员共同担任通讯作者。该项目受到了中国科技部重点研发计划“林业种质资源培育与质量提升” 重点专项“林下经济资源高效栽培关键技术研究” 、中国农业大学三亚研究院基金与2115人才发展计划、国家自然科学基金、中科院动物研究所和西交利物浦大学研究发展基金的资助。

Tang, M*, C. Li, X. Ge, Y. Kuang, L. Qiu, K. C. Chan, L. Guo, Z. Chen, Z. Zhao, B. Zhang, S. Liu*, and X. Zhou*. 2025. Honeybee-Gilliamella synergy in carbohydrate metabolism enhances host thermogenesis in cold acclimation. npj Biofilms and Microbiomes11: 172.

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41522-025-00798-4