Cell | 蒋昊等揭示章鱼通过“触尝”感知环境微生物的化学信号

细菌是地球上最古老的生命形式之一，自动物诞生起便与 其协同演化 ，共同构建了我们所熟知的宿主–微生物生态系统。 大量 研究表明，微生物对宿主的多种生理过程具有重要调控作用。然而，动物是否 能够 主动感知环境中微生物 释放的化学 信号，并利用这些信号调 控 自身 的 行为， 迄今尚缺乏系统的研究 。

由于微生物可合成 结构多样 的小分子代谢物，这些分子或许构成了一种动物能够“读取”的化学语言。在海洋环境中，细菌常常聚集于各 种基质 表面，形成局部化学 物质 富集区。章鱼 作为海洋动物，演化 出 了 一种独特的 神经感知系统，被称为 “触尝” （taste by touch），即 通过 触手 吸盘上的化学触觉受体（Chemotactile Receptors, CRs）来 “品尝” 识别 所触摸的 猎物、卵及其他关键表面， 即使 在完全黑暗的环境中也能精准 做出 反应。 因此，本研究以章鱼作为模式动物，探究其是否能够感知细菌分泌的代谢物，并将这些化学信号作转化为行为调控的驱动因素。

2025年6月17日，哈佛大学Nicholas W. Bellono、加州大学圣迭戈分校Ryan E. Hibbs和哈佛医学院Jon Clardy团队（共同一作为Rebecka J. Sepela、蒋昊和Yern-Hyerk Shin）在Cell上发表了文章

Environmental microbiomes drive chemotactile sensation in octopus

研究首先发现，章鱼能够使用触手区分不同微生物覆盖的表面，如新鲜与腐烂的螃蟹、健康与异常的卵。这些表面附着有特定的细菌群落 ， 研究人员从这些表面分离出可培养菌株，并进一步筛选发现其中部分菌 株 分泌 的 小分子代谢物，能特异性激活章鱼的化学触觉受体CRT1（而非其他同源受体如CR840或未转染细胞）。通过色谱和结构鉴定，团队 确定了两类 具 有 活性的 代谢 产物： 一类为 源自 腐烂 螃蟹表面 的 β- 咔啉类化合物 （H3C与1A3） ，另一类为 源自 异常 卵表面 的光色素l umichrome（LUM）。这些代谢物能诱发离体章鱼触手的自主运动，并激活轴向神经的电信号，表明章鱼的化学触觉感知系统可识别细菌的代谢物，并将化学信号转化为神经电信号。

为 进一步 揭示 其分子 机制，研究团队利用冷冻电镜解析了 上述代谢物 与CRT1的复合物结构。结 构 显示， 这些 分子 均通过疏水相互作用占据 相同的配体结合口袋 ，但在 部分 关键的 氢键 相互作用上存在差异 。 并且，不同类型的分子会使 CRT1 稳定在 不同的激活构象， 进而差异化地调控其对钙离子的通透性。由于钙离子作为第二信使，对神经电 信号 的产生与传导具有重要作用，因此这样的构象差异很 可能导致 最终 行为输出的差异。 该结果揭示了章鱼通过同一化学触觉受体的构象变化，实现对不同微生物化学信号的区分与行为输出。

为 将 上述 分子机制与 生态 情境相结合 ，研究人员 进 一步开展了 生态行为实验。 对自然样本中 代谢物 的含量进行定性分析发现， H3C 显著 富集于腐 烂 螃蟹 的 壳体 上 ，而LUM则主要存在于 异常 卵 的 表面。 此外，在行为实验中，经 H3C或其类似物NOR处理的模型猎物会被章鱼拒绝捕食 ，而经 LUM处理的人工卵 也 更容易被母章鱼主动移除 ，这与生态环境中章鱼的行为一致 ， 表明 这些代谢物 在生态环境中 能有效诱导章鱼产生行为反应。 至此，本研究通过整合电生理学、结构生物学与行为学实验，系统构建了“微生物信号–化学触觉受体激活–神经电信号-行为反应”这一完整的感知传导路径。

该研究系统探究了环境微生物群通过其代谢产物直接作用于章鱼的感知受体，进而调控其神经感知系统，驱动其行为反应的作用机制。此外，该工作拓展了我们对动物如何“解码”微生物语言的理解，提供了微生物–动物界面协同进化的新证据，并对研究其他无脊椎动物中的感官机制与行为调控提供了理论框架。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.05.033

制版人： 十一

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