《Bioresource Technology》：Dietary shifts illuminate host–microbiome-diet interplay in black soldier fly larvae
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作者列表：
Hunter K. Walt | Michael B. Smith | Erin Harris | Sienna McPeek | Florentia Meyer | Spencer T. Behmer | Federico G. Hoffmann | Jeffe
作者列表： Hunter K. Walt | Michael B. Smith | Erin Harris | Sienna McPeek | Florentia Meyer | Spencer T. Behmer | Federico G. Hoffmann | Jeffery K. Tomberlin | Christine J. Picard | Heather R. Jordan
所属机构： 美国密西西比州立大学生物化学、营养与健康促进系，密西西比州州府
摘要
通过分析以不同营养配比（碳氢化合物：蛋白质 = 1:5、5:1 和 1:1）喂养的黑水虻（Hermetia illucens）幼虫的生活史特征和宏基因组数据，研究了饮食、微生物群与宿主生理之间的相互作用。研究结果表明，饮食中的宏量营养素与微生物群落的变化及基因表达密切相关。在平衡的营养配比下，幼虫的生长表现最佳（表现为最高的体重和存活率）。富碳氢化合物的饮食增加了微生物的多样性，并促进了与碳水化合物代谢相关的基因表达，但显著延迟了蛹的形成，降低了幼虫体重，并激活了与病原体识别相关的宿主免疫基因。无论何种饮食，幼虫肠道中主要栖息着Magnusiomyces属真菌，而粪便中的微生物群以Klebsiella为主；在平衡和富蛋白质的饮食条件下，Streptococcus、Lactobacillus和Klebsiella是最常见的细菌类群。宿主基因表达与微生物多样性和基因表达之间存在显著相关性，表明在营养压力下存在宿主-微生物的相互作用。这些发现表明，只有保持宏量营养素的平衡比例，才能协调宿主与微生物群的代谢协同作用，减轻生理压力，从而为优化黑水虻的养殖效果提供科学依据。
引言
黑水虻（Hermetia illucens）是一种广食性昆虫，能够利用从腐烂植物到农业工业废弃物等多种有机物质生存（Grossule 等，2025；Bonelli 等，2020；Bruno 等，2019）。其强大的适应能力与其广泛的食谱密切相关（Thorogood 等，2023），这使得它能够在营养匮乏的环境中获取所需养分（Bonelli 等，2020；Bruno 等，2019）。作为一种可养殖的昆虫，黑水虻在生物转化领域具有重要意义：它能高效地将有机废弃物转化为高质量的蛋白质和脂肪，为动物饲料甚至人类食物提供可持续的营养来源（Grossule 等，2025）。其生物转化能力与其自身生理特征、饮食以及其所携带的微生物密切相关。平衡这三者之间的相互作用至关重要，因为它影响着食物的消化过程、免疫功能以及整体的健康和适应性（Oliphant 和 Allen-Vercoe，2019；Engel 和 Moran，2013）。然而，宿主-饮食-微生物的关系非常复杂，因为微生物之间会争夺这些营养资源，同时宿主也能对其微生物群进行调控（Wilde 等，2024）。 黑水虻具有较短的世代周期，并且在受控实验室条件下可大量繁殖，这使得对饮食、环境因素和遗传背景进行精确操控成为可能，从而获得可重复的研究结果并开展高通量筛选。研究这一物种有助于深入了解养分消化与吸收的机制、生态灵活性以及生物系统内的养分循环优化过程。精确控制饮食中的宏量营养素比例（特别是碳氢化合物与蛋白质的比例）并进行宏基因组分析，有助于同时分析生活史表型、宿主基因组以及相关微生物群的结构和功能动态。这种综合方法将揭示这种昆虫卓越适应能力的潜在机制，不仅有助于提升养殖效率，还能为理解生物如何在多样化的营养环境中生存提供重要启示。 理解特定饮食中的宏量营养素（尤其是碳氢化合物与蛋白质的比例）如何影响肠道微生物群结构及其基因表达至关重要（Zhang，2022）。肠道微生物群是决定宿主健康和适应性的关键因素，参与众多生理过程，如养分吸收、免疫系统发育和抵御病原体（Engel & Moran，2013）。饮食不仅影响微生物的多样性和丰度，还影响其功能表达（即它们表达的基因及其产生的代谢产物），从而建立了饮食与宿主结果的因果联系。虽然长期以来人们就知道饮食会影响肠道微生物群（Engel 和 Moran，2013；Zhang，2022），但最新的研究重点在于追踪这些复杂的分子相互作用。通过宏基因组学等先进技术，研究人员能够同时识别存在的微生物、量化其丰度，并确定哪些基因正在活跃表达（Ojala 等，2023）。此外，宏基因组测序还能同时获取宿主的基因表达情况，全面了解宿主及其微生物群对饮食变化的响应方式。这种综合方法对于明确饮食驱动的宿主-微生物相互作用的因果关系至关重要。 在本研究中，我们研究了在三种具有精确调控宏量营养素组成的饮食下饲养的黑水虻幼虫（BSFL）的宿主-微生物-饮食相互作用，这些饮食的碳氢化合物与蛋白质比例涵盖了黑水虻的食物来源范围（Grossule 等，2015）：富碳氢化合物饮食（1P:5C）、平衡比例饮食（1P:1C）和富蛋白质饮食（5P:1C）。研究测定了这些饮食对存活率、体重和化蛹时间等生活史特征的影响，并利用宏基因组测序技术分析了宿主和微生物对营养素变化的反应。结果强调了黑水虻在多样化营养环境中的适应能力，并揭示了宿主与其微生物群在各种营养条件下的功能协同作用。
