Formicine ants swallow their highly acidic poison for gut microbial selection and control

福米辛螞蟻吞下它們的高酸性毒藥，用于腸道微生物的選擇和控制

來源：Tragust et al. eLife 2020;9:e60287.

 

摘要核心發現

 

核心結論：蟻科螞蟻（如佛羅里達弓背蟻 Camponotus floridanus）通過吞食自身強酸性毒腺分泌物（主要成分為甲酸），在食物儲存器官（嗉囊）中創造高度酸性環境（pH≈2-3）。這一行為具有雙重功能：

1. 抑制病原微生物：顯著降低攝入的致病菌（如 Serratia marcescens）在嗉囊中的存活率，提高螞蟻食用污染食物后的生存率（圖3）。

 

2. 篩選共生菌：選擇性允許醋酸桿菌科（Acetobacteraceae）細菌通過嗉囊進入中腸定植（圖5），解釋該類群在蟻科腸道菌群中廣泛存在的原因。

 

 

研究目的

 

1.揭示蟻科螞蟻如何通過毒液吞咽行為平衡食物中病原體控制與有益菌獲取的挑戰。

2.驗證酸性嗉囊環境是否作為微生物化學過濾器（chemical filter），差異化抑制病原體并促進共生菌定植。

3.探究該行為在群體營養交換（交哺行為） 中對疾病傳播的防控作用。

 

研究思路

 

1. 行為驗證：比較8種蟻科螞蟻（3屬）在能否進行毒液吞咽（酸孔梳理行為）時的嗉囊pH值（圖1）。

 

2.病原抑制實驗：

 

體外：測試病原菌（S. marcescens）在甲酸酸化環境中的存活率（圖2增補圖3）。

 

體內：追蹤攝入病原菌后在嗉囊和中腸的分布動態（圖2）。

 

生存實驗：比較有無毒液吞咽能力的螞蟻食用病原污染食物后的死亡率（圖3）。

3.共生菌篩選實驗：

 

體外：測試醋酸桿菌（Asaiasp.）對酸性環境的耐受性（圖5增補圖1）。

 

體內：追蹤其在螞蟻消化道的定植過程（圖5）。

4.群體傳播實驗：模擬交哺行為，驗證供體螞蟻毒液吞咽對受體螞蟻的防護作用（圖4）。

 

關鍵數據、來源及意義

 

1.嗉囊pH值（圖1）：

 

數據：阻止毒液吞咽（FA-）的螞蟻嗉囊pH顯著高于正常螞蟻（FA+）（P<0.001）。

 

（例：C. floridanusFA+中位pH=2；FA-中位pH=4）

 

來源：圖1b（C. floridanus）和圖1c（7種螞蟻的跨物種驗證）。

 

意義：證實毒液吞咽是嗉囊酸化的直接原因，且該行為在蟻科中普遍存在。

2.病原菌抑制（圖2 & 圖3）：

 

數據：

 

攝入4小時后，嗉囊中S. marcescens存活率降至0%（圖2a）。

 

中毒螞蟻（FA+）食用病原污染食物后生存率顯著高于未中毒螞蟻（FA-）（風險比HR=0.56, P<0.001）（圖3）。

 

來源：圖2a（細菌動態）、圖3（生存曲線）。

 

意義：酸性嗉囊高效清除病原體，直接提升個體生存率。

3.共生菌定植（圖5）：

 

數據：

 

Asaiasp.在pH=3的體外環境中保持生長（圖5增補圖1）。

 

攝入48小時后，Asiasp.在中腸定植量顯著增加（圖5b）。

 

來源：圖5a（嗉囊動態）、圖5b（中腸定植）。

 

意義：揭示酸性環境作為“化學過濾器”，選擇性放行共生菌。

4.群體傳播防控（圖4）：

 

數據：接受中毒供體（FA+）食物的受體螞蟻，死亡率比接受未中毒供體（FA-）食物的受體低50%（P<0.001）。

 

來源：圖4生存曲線。

 

意義：毒液吞咽行為通過交哺間接保護群體成員，降低社會性昆蟲的疾病傳播風險。

 

核心結論

 

1.雙重功能機制：

 

吞毒行為創造pH≈2-3的嗉囊環境，通過酸性脅迫清除病原體（如S. marcescens）。

 

同時充當微生物過濾器，允許耐酸共生菌（如醋酸桿菌科）通過并定植中腸。

2.群體適應性：該行為不僅保護個體，還通過交哺降低群體內病原傳播風險。

3.進化意義：毒液的原始防御功能被拓展為腸道菌群管理工具，體現免疫防御與共生互作的整合。

 

丹麥Unisense電極數據的深層意義

技術優勢

 

 

精準定位：

 

Unisense微電極（針尖直徑20μm）實現腸道局部pH的原位測量（圖1增補圖3）。

 

揭示酸化僅限于嗉囊（pH≈2），中腸pH中性（≈5.3），排除生理酸化假說。

 

高分辨率：

 

直接檢測微升級體液pH，避免傳統試紙的混合誤差（如血淋巴污染導致pH值偏高）。

 

關鍵生物學發現

 

1.酸化空間特異性：

 

電極數據證實酸化僅發生于嗉囊，中腸pH不受影響（圖1增補圖3）。

 

解釋共生菌定植機制：病原體在嗉囊被清除，耐酸共生菌可進入中腸繁殖。

2.行為調控證據：

 

電極測量顯示：螞蟻攝食后主動增加毒液吞咽頻率（圖1增補圖2），維持嗉囊酸性基線。

 

證明酸化是主動行為而非被動生理現象。

3.生態適應性量化：

 

跨物種電極數據（圖1c）顯示蟻科普遍維持嗉囊酸化（pH≤3），但物種間差異反映行為或毒液成分的適應性分化。

 

理論貢獻

 

 

為“宿主篩選微生物”理論（Host Filtering）提供直接證據：酸性環境作為進化形成的篩選門檻，促進與耐酸共生菌的互惠關系。

 

挑戰傳統認知：證明外源物質（毒液）可塑造腸道微生態，拓展對動物免疫與共生關系的理解。

 

總結

 

本研究通過多維度實驗揭示蟻科螞蟻吞毒行為的雙重生態功能：

 

1.毒液酸化嗉囊清除食物病原體（圖2, 3），提升個體與群體生存率（圖4）。

2.酸性環境篩選共生菌（圖5），維持腸道核心菌群（醋酸桿菌科）。

 

丹麥Unisense電極的關鍵作用在于精準量化腸道微環境pH梯度，為“化學過濾”理論提供空間分辨證據，凸顯技術創新在生態機制研究中的價值。