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?“腸”驅直入:王四寶研究組發(fā)現真菌殺蟲(chóng)的新途徑

2024522日,中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng )新中心王四寶研究組在Cell Press合作綜合性國際學(xué)術(shù)期刊The Innovation上在線(xiàn)發(fā)表了題為“Unveiling a novel entry gate: Insect foregut as an alternative infection route for fungal entomopathogens”的研究論文。該研究首次報道了昆蟲(chóng)前腸可作為殺蟲(chóng)真菌的侵染新途徑,并揭示了球孢白僵菌大孢變種通過(guò)堿性信號通路Aia-PalC-PacC,快速響應和耐受昆蟲(chóng)堿性腸道環(huán)境的分子機制。

昆蟲(chóng)病原真菌是昆蟲(chóng)病原體中的最大類(lèi)群,是自然界昆蟲(chóng)種群消長(cháng)的重要調節因子,已被開(kāi)發(fā)成為環(huán)境友好的微生物殺蟲(chóng)劑,用于防治多種農林和衛生害蟲(chóng)。然而,與病原細菌和病毒經(jīng)腸道侵染昆蟲(chóng)的途徑不同,目前應用的生防真菌只能通過(guò)體壁途徑侵染害蟲(chóng)。這種體壁侵染方式雖然在防治刺吸式口器的害蟲(chóng)上具有獨特的優(yōu)勢,但其防治效果易受不利環(huán)境因素(如干旱、高溫和紫外線(xiàn))的影響,極大地限制了真菌殺蟲(chóng)劑的推廣應用。因此,尋找具有新型侵染途徑的殺蟲(chóng)真菌對提高真菌殺蟲(chóng)劑的防治效果具有重要意義。

昆蟲(chóng)的消化道環(huán)境濕潤且相對穩定,有利于真菌孢子的快速萌發(fā)和生長(cháng)。近百年來(lái),科學(xué)家們一直致力于探索發(fā)現能夠通過(guò)昆蟲(chóng)腸道途徑侵染的病原真菌,但始終未能獲得直接證據證明真菌可以通過(guò)腸道感染昆蟲(chóng)。普遍觀(guān)點(diǎn)認為,昆蟲(chóng)腸道內不適宜的pH環(huán)境、眾多的消化酶以及多樣的腸道微生物可能抑制了真菌孢子的萌發(fā)。因此,長(cháng)久以來(lái),人們普遍認為昆蟲(chóng)病原真菌僅通過(guò)體壁途徑侵染昆蟲(chóng)。

早在2014年,王四寶研究員團隊在探究腸道細菌影響真菌腸道感染的過(guò)程中,意外地率先發(fā)現了一株球孢白僵菌Bbm菌株,該菌株展現出了通過(guò)腸道侵染鱗翅目幼蟲(chóng)的獨特能力。通過(guò)口服飼喂的研究方法(圖1A),證實(shí)Bbm能夠通過(guò)腸道侵染家蠶(圖1B)和豆天蛾幼蟲(chóng)(圖1C)。這種侵染方式不僅能快速殺死低齡幼蟲(chóng),而且對即將化蛹的老熟幼蟲(chóng)同樣致命(圖1D)。即使在干燥的環(huán)境條件下,該菌株也能夠通過(guò)口服方式有效感染鱗翅目幼蟲(chóng)。另外,腸道菌群的存在與否不影響Bbm的腸道侵染能力。重要的是,與單一途徑侵染相比,經(jīng)體壁和腸道雙途徑侵染能夠顯著(zhù)增強Bbm的殺蟲(chóng)效力(圖1E)。通過(guò)解剖和組織切片觀(guān)察表明,前腸是球孢白僵菌Bbm通過(guò)腸道感染昆蟲(chóng)的入侵部位(圖1F)。系統發(fā)育分析和形態(tài)學(xué)觀(guān)察,發(fā)現Bbm屬于球孢白僵菌的一個(gè)變種,其分子孢子的尺寸明顯大于普通的球孢白僵菌菌株,因此將其命名為球孢白僵菌大孢變種(Beauveria bassiana var. majus)(圖1G)。

真菌分生孢子萌發(fā)是其產(chǎn)生致病力的第一步。鱗翅目幼蟲(chóng)前腸環(huán)境呈現強堿性(pH 10.0~11.0)。研究發(fā)現,Bbm菌株的分生孢子在強堿性條件下具備快速萌發(fā)的能力。真菌耐堿性能力主要由Pal-pH響應信號通路中的轉錄因子PacC調控。敲除PacC導致Bbm菌株的耐堿性能力和腸道致病性顯著(zhù)減弱。在堿性條件下,Bbm菌株中PacC轉錄表達迅速上調,繼而PacC蛋白被快速水解活化。PacC蛋白的水解活化依賴(lài)于上游傳遞堿性pH信號的PalC。在堿性條件下,Bbm菌株PalC基因快速響應并顯著(zhù)上調高表達。敲除PalC基因顯著(zhù)抑制了PacC蛋白在堿性條件下的水解活化,并顯著(zhù)降低Bbm菌株的耐堿性和腸道侵染毒力。比較基因組分析發(fā)現,與非腸道致病性菌株相比,Bbm菌株PalC鄰近基因Aia存在一個(gè)249 bp的片段缺失,導致Aia基因在堿性條件下被快速誘導表達。BbmAia作為堿性誘導激活子(alkaline inductive activatorAia),正向調控鄰近基因PalC的表達。PalC通過(guò)蛋白水解活化PacC,活化的PacC入核,作為轉錄因子激活下游堿性pH誘導基因的表達。研究還發(fā)現,在非腸道致病性菌株中異源表達BbmPacC的活性短肽,能夠使其獲得腸道侵染昆蟲(chóng)的能力。

綜上,本研究首次發(fā)現,球孢白僵菌大孢變種Bbm能夠通過(guò)體壁和前腸兩種途徑侵染鱗翅目幼蟲(chóng)。Bbm適應鱗翅目幼蟲(chóng)腸道強堿性環(huán)境的關(guān)鍵在于其進(jìn)化出的堿性誘導激活子Aia。這一新的pH響應調控通路Aia-PalC-PacC增強了Bbm菌株耐受昆蟲(chóng)前腸的強堿性環(huán)境,進(jìn)而獲得經(jīng)由腸道侵染昆蟲(chóng)的能力(圖1H)。這項新發(fā)現挑戰了教科書(shū)中關(guān)于病原真菌只能經(jīng)由體壁途徑侵染昆蟲(chóng)的傳統理論,也為真菌殺蟲(chóng)劑的應用提供了新的思路。體壁和腸道的雙重侵染途徑有望顯著(zhù)增強真菌殺蟲(chóng)劑的防控效果,為開(kāi)發(fā)新一代真菌殺蟲(chóng)劑開(kāi)辟了新方向。

中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng )新中心賴(lài)屹玲副研究員、博士研究生鄭偉路、鄭奕彤和江蘇科技大學(xué)聯(lián)合培養碩士研究生盧海泉(已畢業(yè))為該論文的共同第一作者,王四寶研究員為通訊作者。工作人員曲爽博士、已畢業(yè)博士研究生王歷歷、江蘇科技大學(xué)李木旺教授等參與了該項研究工作。該研究得到了國家自然科學(xué)基金創(chuàng )新研究群體項目、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃重點(diǎn)專(zhuān)項、新基石研究員項目、中國科學(xué)院青年創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )等資助。

論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.xinn.2024.100644

1. 球孢白僵菌大孢變種(Beauveria bassiana?var.?majus)經(jīng)前腸侵染昆蟲(chóng)新途徑的發(fā)現及其機制。(A)對家蠶幼蟲(chóng)口服飼喂真菌孢子;(B)球孢白僵菌大孢變種Bbm菌株能通過(guò)口服經(jīng)由腸道感染家蠶幼蟲(chóng);(CBbm經(jīng)腸道侵染豆天蛾幼蟲(chóng);(DBbm經(jīng)腸道侵染即將化蛹的老熟幼蟲(chóng);(E)與單一途徑侵染相比,經(jīng)體壁和腸道雙途徑侵染能夠顯著(zhù)增強Bbm的殺蟲(chóng)效力;(F)前腸是球孢白僵菌Bbm通過(guò)腸道感染昆蟲(chóng)的入侵部位;(GBbm菌株屬于球孢白僵菌大孢變種;(HBbm菌株能夠通過(guò)體壁和前腸兩種途徑侵染鱗翅目幼蟲(chóng),并通過(guò)堿性信號通路Aia-PalC-PacC快速響應和耐受鱗翅目昆蟲(chóng)強堿性的前腸環(huán)境,從而獲得經(jīng)由腸道侵染昆蟲(chóng)的能力。