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氮多氮少都能行,烟粉虱为何“好养活”

信息来源:科学网  发布时间: 2024-02-19   点击数:保护视力色: 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)

烟粉虱。受访者供图

作为臭名昭著的半翅目粉虱科害虫,烟粉虱是联合国粮食及农业组织(FAO)认定的世界第二大植食性害虫,也是迄今唯一被冠以“超级害虫”的重大农业害虫,被列为最危险的100个入侵物种之一。自从1996年烟粉虱在中国出现后,科学家们发现,一品红和棉花这样氮营养含量差异巨大的植物都能成为烟粉虱的适宜寄主。
氮代谢既能为生物体合成蛋白质、核酸等重要生物分子,也是生物体代谢、外排氨类等有毒氮废物的途径,是生物体发育繁衍的基础。烟粉虱为何能在不同氮含量的寄主植物上繁衍存活一直是个谜。
中国农业科学院蔬菜花卉研究所(以下简称蔬菜所)研究员张友军团队研究发现,烟粉虱巧妙地“俘获”了两个微生物基因,成功构建了自身独特的氮代谢途径,从而增强了对不同氮含量寄主植物的营养适应性,最终对不同寄主植物形成了广泛寄主适应性。烟粉虱这种独特氮代谢模式还可能存在于其他昆虫中,具有一定的普适性。相关研究近日发表于《科学进展》。
俘获基因构建独特氮代谢
氨基酸等含氮物质是烟粉虱个体发育生殖、种群暴发为害的基础。这些含氮营养的合成和分解与烟粉虱氮代谢息息相关。
论文第一作者、天津市农业科学院植物保护研究所副研究员杨泽众告诉《中国科学报》,不同于绝大多数昆虫,烟粉虱排泄独特的氮废物——氨基酸,而且寄主植物的氮含量对烟粉虱的影响似乎远不及对其他昆虫的影响。
于是,研究人员预测了烟粉虱氮代谢网络,并注意到两个特别的基因——尿素羧化酶基因(BtUCA)和脲基甲酸酯水解酶基因(BtAtzF)。这两个基因组成的氮代谢途径能够将尿素催化为氨,将昆虫保守的氮代谢方式和烟粉虱独特的氮终产物联系起来。
昆虫和高等动物体内通常缺少尿素降解基因。那么,烟粉虱体内这两个能降解尿素的基因从何而来?为此,张友军团队明确了BtUCA和BtAtzF的确是烟粉虱在8600万年前—3500万年前俘获的两个微生物基因。
“通过蛋白异源表达纯化和酶活动力曲线测定,我们发现这两个微生物基因保留了其微生物基因的生物学功能,而且它们在烟粉虱体内稳定表达。这表明上述两个基因在烟粉虱体内具有重要功能。”杨泽众说。
接下来,研究人员分别在实验室和自然环境下验证了两个微生物基因对烟粉虱氮代谢的影响,发现它们不仅在烟粉虱取食高氮含量寄主植物时参与合成体内氮废物,减少有毒氮废物对烟粉虱机体的损伤;还是烟粉虱在取食低氮含量寄主植物时氮废物回收再利用生产线上的重要“操作工人”,在氮胁迫下,为烟粉虱提供稳定的氮营养。
“烟粉虱利用这两个微生物基因获得了高效氮代谢能力,可以说它们是烟粉虱独特氮代谢的重要成因和关键枢纽。”论文共同第一作者、蔬菜所研究员郭兆将说。
广泛存在的进化机制
科学家普遍认为,昆虫独特的氮代谢主要依靠自身体内共生菌。但在该研究中,张友军团队发现,烟粉虱的独特氮代谢途径可能源于俘获的肠道微生物基因,而非体内共生菌。通过俘获肠道微生物基因并将其整合入自身氮代谢,烟粉虱获得了独特的氮代谢能力。
论文共同通讯作者、瑞士纳沙泰尔大学教授Ted Turlings 2021年与张友军团队合作完成了首个从植物到昆虫的水平转移基因鉴定和功能分析工作。不久前,他们进一步揭示了烟粉虱利用窃取的植物不饱和脂肪酸合成酶保障自身强大生殖力的分子机制。而这一次,他们联手解析了烟粉虱独特氮代谢的分子机制。
“不同于利用共生菌的大多数昆虫,烟粉虱利用源自于肠道微生物的基因构建自身独特的氮代谢。该机制丰富了我们对昆虫独特氮代谢机制的认识。”Turlings说。
除烟粉虱外,研究人员还在橘臀纹粉蚧和中华草蛉氮代谢中鉴定到潜在的微生物源水平转移基因。他们推测橘臀纹粉蚧和中华草蛉等昆虫可能采用同烟粉虱一样的方式,构建自身独特的氮代谢。“可见,俘获微生物基因并构建自身独特氮代谢的方式在昆虫中可能具有普遍性。”Turlings说。
“虽然现阶段还不能对该结论的正确性予以肯定,但这仍为我们揭示昆虫适应性进化和物种多样性成因提供了全新视角。”张友军说。
迫令烟粉虱“投降”
氮是生物体生命活动的主要承担者,但有毒氮废物的积累会损伤细胞。因此,解析了烟粉虱独特的氮代谢后,张友军团队基于此制定了一套破坏烟粉虱“超级氮代谢力量”的实验方案——利用核糖核酸(RNA)干扰技术同时沉默烟粉虱俘获的两个微生物基因,探索其在烟粉虱精准绿色防治中的应用。
RNA干扰是指由双链RNA诱发的、靶向信使RNA特异性降解的现象。“我们设计了表达靶向两个微生物基因特异性双链RNA的转基因烟草品系。沉默两个被俘获的微生物基因后,当代和子代烟粉虱的存活率下降,生殖能力也显著降低。”郭兆将说。
此外,研究人员发现,取食表达靶向两个微生物基因特异性双链RNA的转基因烟草品系,对烟粉虱的近缘种温室白粉虱并无显著影响。“这种转基因烟草的构建虽然不利于烟粉虱生存,但对非靶标昆虫温室白粉虱没有任何影响。因此,这是一种高效、精准、安全的烟粉虱绿色防治新策略。”杨泽众说。
相关论文信息:
https://doi.org/10.1126/sciadv.adi3105
《中国科学报》 (2024-02-19 第3版 综合)