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Science Adv. | 中国农科院蔬菜花卉所张友军团队揭示微生物源水平转移基因增强烟粉虱营养适应性的分子机制

花匠小妙招
2024-09-02 12:46

氮代谢是生命体一切活动的基础。氮代谢不仅为生物体提供合成蛋白质、核酸等重要生物分子，还为生物体提供代谢、外排氨类等有毒氮废物的途径。珊瑚、一些昆虫和绵羊等动物也利用体内共生菌对自身氮废物循环再利用。虽然动物的氮代谢相对保守，但研究发现部分陆生动物拥有特殊的氮代谢能力，明确这些特殊氮代谢对揭示物种适应性进化机制，解析物种多样性成因具有重要意义。

烟粉虱是全球最危险的农业害虫之一，被联合国粮农组织（FAO）认定为世界第二大植食性害虫，它能取食600余种寄主植物，是典型的多食性害虫。它主要通过刺吸取食、传播植物病毒和诱发植物真菌病害，烟粉虱常年造成巨大经济损失。近二十年来，中国农业科学院蔬菜花卉研究所张友军团队持续开展烟粉虱灾变机制研究，开发烟粉虱绿色安全防治策略。

在张友军团队最新研究中，发现了烟粉虱等昆虫利用“俘获”的微生物基因成功构建了自身特殊氮代谢途径，从而形成广泛营养适应性的分子机制。研究成果对揭示物种适应性进化机制，解析物种多样性成因具有重要意义。该成果以“Two horizontally acquired bacterial genes steer the exceptionally efficient and flexible nitrogenous waste cycling in whiteflies”为题发表于国际著名Science子刊Science Advances上。

图1. 烟粉虱氮废物生物合成途径预测

首先，研究团队利用多组学联合分析技术预测了烟粉虱氮代谢途径（图1）。整合利用代谢组、基因组和宏转录组实验结果，研究人员预测了烟粉虱氮废物合成途径。随后，利用同位素示踪实验，研究人员发现烟粉虱的确如预测方式一样合成氮废物。

图 2. BtUCA和BtAtzF水平转移事件验证

在烟粉虱氮废物合成路径中，研究团队发现了两种常见的细菌基因——尿素羧化酶(BtUCA)和脲基甲酸酯水解酶(BtAtzF)。随即，分子生物学和生物信息学研究实验结果显示上述两个基因的确为烟粉虱俘获的微生物基因（图2），并推测烟粉虱在距今8600-3500万年前(MYA)获得了这两个基因。

图 3. BtUCA和BtAtzF参与合成烟粉虱氮终废物

随后，利用蛋白异源表达技术和酶活动力曲线测定技术，研究团队发现烟粉虱俘获的两个微生物基因仍具有降解尿酸的生物学功能。随后他们利用dsRNA饲喂实验和病毒诱导基因沉默(VIGS)技术以分别沉默BtUCA和BtAtzF基因。实验结果显示抑制BtUCA、BtAtzF基因表达能够显著降低烟粉虱排泄物中氮废物的含量（图3）。结果表明两个俘获的BtUCA和BtAtzF基因的确参与了烟粉虱氮废物生物合成。

图4. BtUCA和BtAtzF帮助烟粉虱适应高氮饮食

烟粉虱可以正常取食棉花、一品红等含氮量差异巨大的植物宿主。由于氮代谢为生物体代谢、外排氨类等有毒氮废物的途径，研究团队推测烟粉虱俘获的两个微生物基因BtUCA和BtAtzF为帮助提供适应食物中的高氮胁迫。为了验证这个假设，研究团队分别将烟粉虱饲喂于不同氮营养的人工饲料和烟草叶片上以明确俘获的两个微生物基因BtUCA和BtAtzF对烟粉虱克服高氮饮食的影响。结果发现当食物中的氮营养升高时，烟粉虱俘获的两个微生物基因BtUCA和BtAtzF的表达水平升高，烟粉虱排泄物中的氮废物也显著升高；同时抑制BtUCA和BtAtzF后，会显著降低烟粉虱排泄物中的氮废物含量（图4）。上述实验结果表明通过合成更多氮废物，烟粉虱俘获的两个微生物基因BtUCA和BtAtzF帮助烟粉虱适应高氮饮食。

图5. BtUCA和BtAtzF允许烟粉虱循环再生氮废物

研究表明，蟑螂、褐飞虱等昆虫可以利用共生菌降解尿素、循环再生氮废物。由于俘获的BtUCA和BtAtzF也具有降解尿素的能力，研究团队随后探索BtUCA和BtAtzF基因是否赋予了烟粉虱氮循环再生能力。利用人工饲料模拟烟粉虱无氮饮食，研究团队发现烟粉虱可以循环再生自身的氮废物（图5）。随后的基因沉默实验结果俘获两个微生物基因是烟粉虱氮废物循环再生能力的关键（图5）。

图6. BtUCA和BtAtzF缓解烟粉虱低氮饮食

氮废物循环再生帮助蟑螂、褐飞虱等昆虫增强自身营养适应性，以克服食物中的氮营养短缺。由于烟粉虱也循环再生自身氮废物，研究团队烟粉虱能够利用该能力增强自身营养适应性。为验证上述假设，研究团队模拟了烟粉虱在不同氮营养烟草宿主上的转换过程。结果发现当转化到低氮营养的植物宿主后，利用俘获的微生物基因BtUCA和BtAtzF获得的氮循环再生能力帮助烟粉虱获取氮营养（图6）。

图 7. 基于BtUCA和BtAtzF的烟粉虱防治

氮代谢是生命体一切活动的基础。鉴于氮代谢的重要性，研究团队开发基于阻断氮代谢的烟粉虱精准防控策略。研究人员发现沉默俘获的两个微生物基因后，烟粉虱存活率和生殖能力显著下降。但靶向这两个微生物基因的特异性dsRNA对非靶标近缘种温室白粉虱没有影响（图7）。该结果表明基于以两个微生物基因为靶点的烟粉虱精准防治方法兼具高效性和安全性。

图8. 水平转移基因BtUCA和BtAtzF增强烟粉虱营养适应性的分子机制

综上所述，研究人员发现烟粉虱俘获的两个微生物源基因是其自身独特氮代谢的成因和重要枢纽，它们不仅帮助烟粉虱在取食高氮植物时进行有毒氮废物合成外排，而且能帮助烟粉虱在取食低氮植物时将氮废物进行循环再利用，为烟粉虱再生获得氮营养，从而获得了自主高效氮代谢能力，增强了自身营养适应性，最终协助烟粉虱对不同寄主植物形成了广泛寄主适应性。

此外，研究人员还发现这两个微生物源基因并非来自于烟粉虱体内的共生菌，而极有可能来源于体内肠道菌群，且烟粉虱“俘获”这两个基因后，丢弃了原本编码这两个基因的肠道微生物。烟粉虱正是利用这种“失之于朝，得之于野”的巧妙方式，使其获得了自主可控的氮代谢能力，从而有利于种群繁衍和入侵（图9）。除烟粉虱外，研究人员发现橘臀纹粉蚧和中华草蛉氮代谢中也存在潜在的微生物基因并推测利用上述方式，其他昆虫也获得了自身特殊的氮代谢能力，因此，该研究成果在昆虫中具有普适性。