中国农业大学硕士生第一作者在顶级期刊发表研究论文,揭示抗生素残留重塑肠道菌群驱动橘小实蝇适合度下降

近日，李志红/赵紫华团队在国际知名期刊《危险材料杂志》(Journal of Hazardous Materials)在线发表了题为“环境土霉素残留通过重塑肠道菌群威胁多食性实蝇生活史”(Gut-microbiota reshaping by environmental oxytetracycline residues threatens life-history traits in a polyphagous fruit fly)的研究论文。土霉素作为农业中应用最广泛的抗生素之一，其环境残留问题日益受到关注。该研究以我国重大入侵害虫橘小实蝇(Bactrocera dorsalis)为模型，揭示了环境土霉素残留如何通过重塑肠道微生物群落、干扰氨基酸代谢，进而对宿主生长发育和繁殖适合度产生负面影响，为评估抗生素残留的生物安全和生态风险提供了新视角，并防范抗生素残留的生物安全风险提供了关键依据。

抗生素在人类医疗、兽医治疗、作物保护及水产养殖中的广泛使用已导致大量残留进入环境。土霉素作为四环素类抗生素中农业用量最大的品种之一，在畜禽粪便、养殖废水和生活污水中被频繁检出。尽管近年已有研究开始预测抗生素和耐药菌的时空动态并开展定量风险评估，但环境相关浓度的抗生素残留对非靶标昆虫的长期生活史影响及其微观机制，仍有待深入探究。肠道微生物被誉为昆虫的“第二基因组”，在宿主营养代谢、生长发育、解毒和免疫等方面发挥着关键调控作用。抗生素暴露如何通过干扰肠道菌群进而影响宿主适合度，是进化生态学和生态毒理学交叉领域的前沿问题。

为解答这一科学问题，该团队以多食性、高生态适应性的入侵害虫橘小实蝇为研究对象，从卵孵化开始持续暴露于不同浓度的土霉素，系统评估了其对宿主生活史性状的影响。研究发现，土霉素暴露显著延长了幼虫发育历期，增加了幼虫死亡率，并以剂量依赖的方式降低了蛹重。更为重要的是，雌成虫的卵巢大小和成熟卵母细胞数量均受到显著抑制。这一发现表明，环境抗生素残留可能通过干扰繁殖能力对害虫种群动态产生深远影响。

为揭示上述表型变化的内在机制，研究团队综合运用了微生物组学和代谢组学技术。土霉素暴露显著降低了肠道菌群的物种丰富度，并改变了菌群组成结构。有益乳酸菌如Weissella和Latilactobacillus受到明显抑制，而机会菌如Enterococcus和Pseudomonas则显著富集；土霉素暴露导致幼虫肠道内多种氨基酸浓度显著下降，包括缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸等。肠道菌群可通过合成与降解调控宿主的氨基酸可利用性，因此土霉素诱导的菌群失调可能是导致氨基酸缺乏的重要原因。

为验证肠道菌群和氨基酸在介导土霉素效应中的功能，开展了回补实验。分别添加从健康橘小实蝇肠道中分离植物乳杆菌Lactiplantibacillus plantarum和短乳杆菌Levilactobacillus brevis，均缓解了土霉素诱导的发育抑制和繁殖损伤。此外，外源补充亮氨酸、异亮氨酸和谷氨酸能够逆转土霉素的负面效应。这些回补实验为肠道菌群-氨基酸代谢-宿主适合度间的因果关联提供了功能证据。

基于上述发现，该研究提出了一个概念框架：环境土霉素残留通过抑制有益乳酸菌、富集机会致病菌重塑肠道菌群结构，进而减少肠道关键氨基酸，最终通过影响蛋白质合成和肠道屏障功能等多条途径，导致宿主生长发育延缓、生物量积累减少和繁殖适合度下降。这一框架将抗生素残留的生态风险从直接的抗菌活性拓展到了昆虫互作层面，为理解环境污染物通过菌群-代谢轴影响非靶标生物提供了新的理论视角，也明确了环境抗生素残留的生物安全风险。

中国农业大学农林生物安全全国重点实验室为该项工作的第一完成单位，植物生物安全系植物检疫与农业生态健康专业硕士研究生杨雨馨为第一作者，赵紫华教授和李志红教授为共同通讯作者，高峰副教授、贾筱沄硕士，中国科学院生态环境研究中心金德才研究员，巴西拉夫拉斯联邦大学Khalid Haddi教授参与了该项工作。该研究得到了国家自然科学基金项目(32472653)、农林生物安全全国重点实验室联合研究项目(SKLJRP2509)、中国农业大学教学团队项目及中国农业大学2115人才培育计划等资助。