张开菊花就能“喝”水的它，可能已经在你身边的角落潜伏了一整年

图片来源：Pixabay

赤拟谷盗（Tribolium castaneum）是一种常见的食物储藏室害虫，以谷物、面粉、饼干、豆类和坚果为食。这种小虫子非常耐寒，并且可以在恶劣的干旱环境中生存——因为它不仅会从人类的口粮中摄取液体，还能从空气中提取水分。在大气湿度较高的时候，赤拟谷盗会打开直肠，通过消化道下端的开口吸收水分并将其转化为液态，为身体的其他部分补水。

赤拟谷盗 来源：https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1214958

在科学家眼中，这种能力在一个多世纪前就已经不是秘密了。不过，直到最近，生物学家们才开始尝试了解其中的分子机制。由于赤拟谷盗对杀虫剂抗性很强，耐辐射能力比蟑螂还要厉害，因此了解赤拟谷盗的奇特“喝水”过程，能帮助我们更好地控制这种生物的种群数量。

科学家认为，地球上可能存在 100 多万种鞘翅目昆虫（也就是我们常说的甲虫），大约有 40 万种已被人类记录在案。每年，全世界超过 20% 的粮食储存受到赤拟谷盗、谷象、马铃薯叶甲等甲虫的污染，特别是在发展中国家。中国是赤拟谷盗的活动区域之一，除西藏外，各省、直辖市、自治区均有发生。这种害虫一年可繁殖 4~5 代，不仅会吞噬屯粮，还会蚕食皮革、药材、干肉。

大多数哺乳动物和昆虫的直肠，会在排便前将排泄物中所有剩余的营养和水分彻底吸收。赤拟谷盗在这方面拥有非一般的效率：它消化道末端的直肠复合体能够产生盐度极高的内环境，帮助后肠从粪便中吸收全部水分回到体内。即使是含水量在 1%~2% 的干谷物，也能帮这种甲虫保持体液平衡。

更夸张的是，赤拟谷盗的寿命虽然只有短短的几百天，最长也很少超过 2 年，但它们可以在不喝液态水的情况下走完整个生命周期。

不过，赤拟谷盗是发育遗传学和功能基因组学研究中较为流行的模式生物。2008 年就有科学家完成它的全基因组测序。和遗传学研究的另一个主力果蝇相比，赤拟谷盗有大约 1 万到 1.5 万个基因与之相同，但其发育周期更接近其他昆虫。

这就为我们从分子层面上理解赤拟谷盗带来了便利条件。丹麦哥本哈根大学生物学家 Kenneth Veland Halberg 和同事们给赤拟谷盗的“出口”做了扫描电镜成像，他们发表在《美国科学院院刊》（PNAS）上的研究指出，这种甲虫之所以能只靠屁股“喝水”，是因为它们的后肠和肾周小管密切合作构成的直肠复合体，能够高度特异性地从食物残渣和周围的空气中提取水分。这套系统如此有效，以至于研究者们在赤拟谷盗的粪便中找不到一点水的痕迹——肾周小管环绕着后肠，后肠里是完全干燥的粪便。

赤拟谷盗直肠复合体的微观横截面。图中洋红色为干燥的粪便，被灰色的直肠包围。周围的肾周管呈紫色。图片来源：Kenneth Veland Halberg

研究者还从实验室培育的赤拟谷盗中采集了组织样本，提取 RNA 后利用 BeetleAtlas 数据库进行基因表达分析，希望找到有关基因。结果发现，一个编码阳离子逆向转运蛋白的 Nha1 基因，在直肠复合体中的表达量是其他基因的 60 倍。

Nha1 基因在赤拟谷盗不同身体部位的表达情况 来源：论文

在一番艰难的寻找后，Halberg 和同事将 Nha1 基因的表达定位在了一组名为 leptophragmata 的次生细胞中。这群细胞位于肾周小管和循环系统之间，像窗户一样，能够将氯化钾等盐类泵入肾周小管形成高盐环境，有利于潮湿空气中的水分向直肠复合体渗透，进入身体组织。

接下来，研究者希望找到在分子水平上中断赤拟谷盗这种独特水合过程的方法。假如我们能够制造出一种含有这类分子的环保杀虫剂，那就就能特异性杀灭赤拟谷盗以及和它类似的害虫，同时不会对蜜蜂等益虫造成伤害。

Halberg 表示：“我们对赤拟谷盗利用直肠吸水的过程有了确切了解，弄清楚了是哪些基因、细胞和分子在起作用。这意味着我们掌握了破坏这个过程的方法。”

地球上的昆虫生物量是人类的 20 倍，它们在大多数食物网中都发挥着关键作用，对几乎所有生态系统和人类健康都产生巨大影响。因此，更好地理解它们，是人类应该完成的功课——不论这种昆虫有多么奇怪。

论文信息：

NHA1 is a cation/proton antiporter essential for the water-conserving functions of the rectal complex in Tribolium castaneum. Muhammad T. Naseem, Robin Beaven, Takashi Koyama, and Kenneth V. Halberg. PNAS. March 21, 2023. 120 (13) e2217084120

https://doi.org/10.1073/pnas.221708412

主要来源：

https://arstechnica.com/science/2023/12/getting-to-the-bottom-of-how-red-flour-beetles-absorb-water-through-their-butts/

https://www.eurekalert.org/news-releases/983515

本文转载自公众号“科研圈”（ID：keyanquan）

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