作者:李晨 来源:中国科学报 发布时间:2024/2/7 15:24:29
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开源节流:烟粉虱氮代谢为何“荤素通吃”

 

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。

2月2日,《科学—进展》(science advances)在线发表了中国农业科学院蔬菜花卉研究所(以下简称蔬菜所)研究员张友军团队的最新成果。他们发现昆虫巧妙地“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,从而增强了自身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。研究发现,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。 

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烟粉虱成虫。受访者供图 

荤素搭配:什么都能吃的烟粉虱

作为臭名昭著的半翅目粉虱科害虫,烟粉虱是世界粮农组织(FAO)认定的世界第二大植食性害虫,也是迄今为止唯一被冠以“超级害虫”的重大农业害虫,被列为最危险的100种入侵物种。它通过刺吸植物汁液为害600多种寄主植物并在上面进行入侵和繁衍,为害全球多种重要农作物。

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。

烟粉虱究竟为何能在不同氮含量的寄主植物上繁衍存活一直是个谜。“从那时起,我对烟粉虱克服寄主植物中氮营养含量差异的方式产生了深深的兴趣。”论文主要通讯作者张友军回忆说。

珊瑚、一些昆虫和绵羊等哺乳动物可以利用体内共生菌循环利用氮废物。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独特的氮代谢能力。因此,搞清楚动物独特的氮代谢能力,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。

正所谓“荤素搭配,营养美味”,这个道理同样适用于农业害虫——氨基酸等含氮物质是烟粉虱个体发育生殖、种群爆发为害的基础。这些含氮营养合成和分解与烟粉虱氮代谢息息相关。

论文第一作者、天津农科院植保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;同时,寄主植物的氮含量似乎对烟粉虱的影响也远远不及其他昆虫。

他们首先成功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,将保守的昆虫氮代谢和烟粉虱独特的氮终产物联系起来。

“这些工作为我们后来系统解析烟粉虱独特氮代谢的分子机理奠定了基础。”张友军说。 

俘获基因构建烟粉虱独特氮代谢

昆虫和高等动物中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?先前的烟粉虱功能基因组学研究经验再一次为团队提供了线索。随后,张友军团队明确BtUCA和BtAtzF的确是烟粉虱在8600万~3500万年前“俘获”的两个微生物基因。

“也正是这两个微生物源基因,为我们后续科研工作带来了希望。让我们感觉到昆虫独特氮代谢的分子机制将得到全新的解析。”论文共同第一作者、蔬菜所研究员郭兆将说。

“通过蛋白异源表达纯化和酶活动力曲线测定,我们明确了烟粉虱俘获的这两个微生物源基因仍保留了其微生物基因的生物学功能,我们还发现这两个基因能在烟粉虱体内稳定表达。这些研究结果表明这两个基因在烟粉虱体内具有重要功能。”杨泽众说。

接下来,他们分别在实验室和自然环境下验证了烟粉虱俘获的这两个微生物基因对烟粉虱氮代谢的影响: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,降低有毒氮废物对烟粉虱机体的损伤;也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,在氮胁迫下,为烟粉虱提供稳定的氮营养。

“烟粉虱利用俘获的这两个微生物基因获得了高效氮代谢能力,它们是烟粉虱独特氮代谢的重要成因和关键枢纽。”郭兆将说。 

广泛存在的进化机制

科学家普遍认为,昆虫独特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自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之整合入自身氮代谢,烟粉虱最终获得了独特氮代谢能力。

论文共同通讯作者、瑞士纳沙泰尔大学昆虫化学生态学家Ted Turlings教授2021年与张友军团队合作完成了首个植物转移到昆虫的水平转移基因鉴定和功能分析工作。不久之前,他们还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。

这一次,他们再次合作,系统解析了烟粉虱独特氮代谢的分子机制。“我们揭示了一个类似于‘失之于朝,得之于野’的故事。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氮代谢。该机制的发现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。他们因此推测橘臀纹粉蚧和中华草蛉等昆虫也可能利用烟粉虱同样的方式构建了他们自身独特的氮代谢。“利用‘失之于朝,得之于野’方式俘获微生物基因,构建自身独特氮代谢的方式在昆虫中可能具有一定普遍性。”Turlings说。

“虽然现阶段仍不能明确该结论,但这仍是一个令人兴奋的结果。这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物种承担者,但有毒氮废物的积累也会损伤细胞,造成组织和肌体的损伤。因此,解析了烟粉虱独特氮代谢后,张友军团队进一步制定了一套破坏烟粉虱“超级氮代谢力量”的实验方案。即利用RNA干扰技术同时沉默烟粉虱俘获的这两个微生物源基因,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mRNA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dsRNA的转基因烟草品系。沉默这两个俘获的微生物基因后,当代和子代烟粉虱的存活率和生殖能力显著下降。”郭兆将说。

此外,他们还发现,取食表达靶向两个微生物基因特异性dsRNA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仅不利于烟粉虱生存,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

 

 
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