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营养性内共生（nutritional endosymbiosis）广泛存在于自然界，在生物适应与进化中发挥核心作用。宿主细胞容纳胞内细菌，形成“代谢工厂”，依赖宿主与内共生菌间广泛的代谢交换。相比寄生关系中营养劫持机制的研究，胞内互惠共生中的营养转移机制仍鲜为人知。尽管基因组与转录组研究表明宿主转运蛋白基因家族扩增，但内共生菌基因组常保留极少转运蛋白基因，内共生菌如何从宿主摄取营养、细菌间如何交换代谢物，仍是未解之谜。
本研究以米谷象虫（Sitophilus oryzae）及其内共生菌Sodalis pierantonius为模型。S. pierantonius为宿主提供谷物中稀缺的维生素、辅因子及氨基酸，尤其是芳香族氨基酸苯丙氨酸（用于角质层合成，增强抗干燥与生物胁迫能力）。细菌保留完整莽草酸途径，从碳水化合物代谢生成苯丙氨酸。无共生虫谷象虫无法在纯淀粉饮食上发育，而共生个体可正常发育，表明细菌可利用碳水化合物增殖并补充宿主营养。细菌细胞转录组显示糖酵解与多醇途径高度活跃，富含碳水化合物。本研究结合高压冷冻（HPF）、体积电子显微镜与原位高分辨率化学分析，揭示内共生菌如何高效获取宿主碳水化合物。
Figure 1. Graph abstract
宿主肠上皮形成广泛且极化的囊泡网络
研究发现，谷象虫幼虫细菌器官与肠腔无直接接触，为阐明饮食营养如何抵达，采用高压冷冻结合透射电镜观察肠道与细菌器官，发现肠上皮细胞内存在密集囊泡网络。进一步通过Rab5与Rab7免疫荧光标记显示，Rab5集中于顶端（肠腔侧）、Rab7偏向基底（细菌器官侧），形成显著极性分布。无共生幼虫中Rab5极性减弱，表明内共生菌存在增强宿主囊泡极化。该极化格局提示活跃的转胞作用机制，实现碳水化合物等营养物从肠腔至细菌器官的高效跨上皮运输，为内共生菌营养获取提供上游通道。
Figure 2. 宿主肠道上皮表现出广泛且极化的囊泡网络
内共生菌形成众多管状膜延伸结构
研究在细菌细胞胞质染色中意外发现大量膜物质充斥于内共生菌间，确认S. pierantonius直接位于宿主胞质、无共生体膜包围。超微结构分析揭示直径约20 nm、长超200 nm的管状结构源自细菌外膜，分布于细菌间或细菌-囊泡间。免疫金标记验证其含细菌特异性外膜组分，确立细菌起源。电子断层扫描显示管状物沿细菌纵向排列，反复锚定外膜并相互连接，形成复杂三维网络——tubenets，远超传统纳米管的孤立线性特征。
Figure 3. 内共生体在细菌细胞内部产生大量管状膜质延伸结构
Tubenets贯穿S. oryzae幼虫、蛹、成虫全生命周期，并在高共生负载的S. zeamais中广泛存在，而缺失于基因组高度缩减的古老内共生菌宿主（R. dominica、O. surinamensis）及低负载S. granarius。此分布模式表明tubenets为S. pierantonius主动构建的膜网络，随细菌生长强度与宿主营养需求同步演化，显著扩展细菌-宿主胞质接触界面，为营养交换奠定结构基础。
Figure 4. S. oryzae各生命阶段及其它鞘翅目昆虫物种中管状体的流行情况
内共生菌tubenets与宿主囊泡富含碳水化合物
选取年轻成虫阶段（细菌为角质层合成提供氨基酸的关键期），采用STXM原位解析碳化学组成。从4组图像栈提取85个ROI碳谱，经背景校正与Z分数归一化后聚类分析显示，tubenets与宿主囊泡碳谱高度相似，而与线粒体、细菌胞质、宿主胞质显著区分。与标准谱库相关分析进一步表明，tubenets与囊泡谱强烈关联碳水化合物，而其他区域偏向蛋白质与氨基酸。像素级相关映射直观可视化该富集格局，确立tubenets与囊泡在碳水化合物含量上的化学等价性。
Figure 5. 细菌组分碳含量的STEM分析
参考谱建模显示tubenets谱拟合依赖更高碳水化合物系数，统计比较确认其与囊泡无显著差异，但显著高于其余ROI。肠道HPLC揭示主要可溶糖为葡萄糖，S. pierantonius高表达PTS葡萄糖/乙酰葡糖胺转运体（ptsG、crr、nagE）及OmpC，提示糖类经tubenets被动扩散并主动导入。综合分析表明，tubenets与囊泡形成碳水化合物协同通道，支持细菌从宿主胞质高效摄取代谢底物。
Figure 6. 昆虫肠道中存在的主要简单碳水化合物和内共生体膜中存在的葡萄糖转运蛋白
本研究揭示内共生菌使用复杂膜状管网（tubenets）从宿主细胞内获取营养，特别是碳水化合物。这些结构通过增加细菌-宿主胞质界面、可能与宿主囊泡融合或细菌间转移，促进碳水化合物获取，支持细菌生长和宿主氨基酸生产。tubenets代表细菌进化出的“生物策略”，类似于多细胞生物中的小肠微绒毛或根系，以增强营养吸收。这种适应在Sitophilus/Sodalis关联中支持生态位扩展。该发现强调胞内共生依赖大量代谢交换，并暗示在其他共生中可能存在收敛适应。
AtaGenix为本研究提供了针对Braun脂蛋白（Lpp）的兔源多克隆抗血清（anti-Lpp antibody）。该抗体用于免疫金标记实验，特异性识别连接细菌肽聚糖与外膜的关键蛋白Lpp，结合脂质A与OmpC标记，确凿证明管状网络（tubenets）源自S. pierantonius外膜，为其细菌起源与膜连续性提供核心蛋白证据。
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