近日，华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室和湖北洪山实验室张宏宇教授/李晓雪教授园艺与城市昆虫学研究团队在Cell Reports上发表了题为“Bacterial-induced Duox-ROS regulates the Imd immune pathway in the gut by modulating the peritrophic matrix”的研究论文。该研究以重要入侵和检疫性园艺害虫橘小实蝇为研究材料，揭示了肠道细菌诱导的Duox-ROS通过维持围食膜（PM）结构稳态调节Imd通路的新机制。
昆虫肠道是内部和外部环境之间的重要交界面，其内居住着大量有益微生物和食源性致病菌。在漫长的进化过程中，昆虫已经发展出强大的粘膜防御机制，其中作为中肠物理屏障的围食膜（PM）是一种由几丁质聚合物和Peritrophins等蛋白质组成的混合网格状结构；而Duox-ROS系统和Imd通路等诱导性免疫在昆虫肠道免疫中起着重要作用。该团队前期发现，Duox-ROS系统和Imd通路在橘小实蝇抵御病原菌入侵和维持肠道菌群稳态中具有重要作用（Yao et al., ISME J 2016, Cell Reports 2022; Liu et al., ISME J 2024），但这两条通路是如何协同发挥高效的免疫反应尚不清楚。
作者研究发现Duox-ROS系统和Imd通路在抵御外来病原菌入侵时的防御反应存在剂量和时间差异，Duox-ROS系统先激活，而Imd通路防御反应则存在明显滞后现象。沉默Duox后，低剂量病原菌提前触发Imd通路启动。机制上，Duox下调导致PM基因Peritrophin-48表达减少，PM结构破坏且通透性增加，而外源H2O2可修复PM并防止Imd过度激活。表明Duox来源的ROS通过调控Peritrophin-48维持PM屏障完整性，进而调节Imd通路的免疫反应。
进一步研究表明，Duox敲低、抗氧化剂或抗生素喂食降低肠道ROS后显著抑制Tace基因表达，而回补生理浓度H2O2可有效挽救由Duox RNAi导致的Tace基因下调。另外，通过干扰Tace导致了Peritrophin-48基因下调和PM结构损伤，并且增加了Imd通路免疫敏感性，这表明肠道Duox产生的ROS可作为一种信号物质通过Tace调控PM结构从而影响肠道Imd免疫反应（图1）。
图1. ROS调控Tace基因影响PM结构完整性
当宿主感染高浓度病原菌或长期感染低浓度的病原菌后，肠道中产生的高水平H2O2导致PM蛋白羰基化水平升高，PM1层变薄及渗透性增加，从而增加Imd的免疫敏感性。这表明肠道中H2O2是一把双刃剑，低水平的H2O2可以作为信号分子维持PM结构稳态，但高水平的H2O2会破坏宿主PM并增加宿主Imd免疫反应（图2）。
图2. 肠道高水平ROS破坏PM增加Imd免疫敏感性
另外，抗生素清除共生菌导致H2O2水平降低、Peritrophin-48表达下调及PM结构损伤，补充共生菌或外源生理浓度H2O2可恢复Peritrophin-48基因表达和PM完整性并抑制Imd过度激活。此结果表明共生菌通过诱导Duox产生ROS维持PM稳态，从而调控肠道Imd免疫反应（图3）。
图3. 共生菌通过Duox调节PM结构稳态
作者基于这些研究结果提出了一种昆虫肠道微生物组与免疫协同的新机制（图4）：肠道共生菌通过维持肠道Duox-ROS稳态，以ROS作为信号通过Tace基因维持肠道PM的完整性，使Imd免疫通路在低浓度短期感染病原微生物时不被激活，仅由Duox-ROS负责清除外来病原菌；当高浓度或长时间低浓度病原微生物侵染时，病原体诱导产生的过高ROS反而破坏肠道PM，激活Imd免疫通路反应，与Duox-ROS通路协同防御外来病原微生物侵染。作者的研究揭示了一种昆虫肠道微生物组通过PM协调Duox-ROS和Imd免疫通路共同防御外来病原微生物侵染新机制，进一步完善了昆虫肠道免疫机制。
图4. 肠道共生菌诱导的Duox-ROS通过PM调控Imd免疫反应模式图
华中农业大学博士生白帅为论文的第一作者，张宏宇教授、李晓雪教授为共同通讯作者。该团队已毕业博士生、扬州大学姚志超教授和中国科学院天津工业生物技术研究所工程生物低碳制造重点实验室蔡朝辉博士，瑞士洛桑联邦理工学院Bruno Lemaitre教授以及该团队毕业研究生马琼可、郭琼钰、张萍，在读博士生周祺、顾健和硕士生刘思颖参与了部分研究。在研究和论文写作过程也得到约翰斯·霍普金斯大学Marcelo Jacobs-Lorena教授和瑞士洛桑联邦理工学院Claudine Neyen的热情帮助。本研究得到了国家自然科学基金重点国际合作项目（32220103009）和面上项目（31872931）、国家现代农业产业技术体系（CARS-26）以及湖北洪山实验室的支持。
张宏宇教授团队长期致力于实蝇等园艺与城市害虫灾变规律与分子机制及其绿色防控、入侵生物与生物安全研究，特别在昆虫微生物组功能、稳态调控与免疫机制，取得了一系列研究进展，部分成果已在Nature Communications、Cell Reports、Microbiome、ISME J、Journal of Nanobiotechnology、PLoS Pathogens、PLoS Genetics等高水平杂志发表论文110多篇，系统揭示了肠道微生物帮助宿主抵御逆境（Evol Appl 2018, PLOS Pathog 2020）、促进宿主生长发育（Insect Sci 2022, Microbiome 2024）和维持宿主免疫稳态（ISME J 2016, Cell Rep 2022, ISME J 2024）等分子机制；研发一系列害虫智能监测预警和绿色防控技术，其中转让生产4次，并建立柑橘害虫全程绿色防控技术体系，先后获得湖北省科学技术进步奖一等奖1项、二等奖2项、三等奖3项、湖北省自然科学奖三等奖2项和教育部科技进步奖二等奖和神农中华农业科技奖三等奖各1项，为园艺与城市害虫绿色防治、入侵生物治理提供理论基础和技术。
主要相关文献：
1. Bai, et al., (2025). Bacterial-induced Duox-ROS regulates the Imd immune pathway in the gut by modulating the peritrophic matrix. Cell Reports. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2025.115404
2. Gu, et al., (2024). Intestinal commensal bacteria promote Bactrocera dorsalis larval development through the vitamin B6 synthesis pathway. Microbiome. https://doi.org /10.1186/s40168-024-01931-9
3. Liu, et al., (2024). Pathobiont and symbiont contribute to microbiota homeostasis through Malpighian tubules–gut countercurrent flow in Bactrocera dorsalis. ISME J. https://doi.org/10.1093/ismejo/wrae221
4. Yao, et al., (2022). Compartmentalized PGRP expression along the dipteran Bactrocera dorsalis gut forms a zone of protection for symbiotic bacteria. Cell Reports. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.111523
5. Guo, et al., (2021). Gut fungal community and its probiotic effect on Bactrocera dorsalis. Insect Science. https://doi.org/10.1111/1744-7917.12986
6. Raza, et al., (2020). Gut microbiota promotes host resistance to low-temperature stress by stimulating its arginine and proline metabolism pathway in adult Bactrocera dorsalis. PLoS Pathogens. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1008441
7. Cai, et al., (2018). Intestinal probiotics restore the ecological fitness decline of Bactrocera dorsalis by irradiation. Evolutionary Applications. https://doi.org/10. 1111/eva.12698
8. Yao, et al., (2016). The dual oxidase gene BdDuox regulates the intestinal bacterial community homeostasis of Bactrocera dorsalis. ISME J. https://doi.org/10.10 38/ ismej.2015.202
转自公众号：昆虫小学生（https://mp.weixin.qq.com/s/p-y3d5Yro54CpHJZKJ_KiA）
