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2024年5月22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 activator，Aia），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

圖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)；（C）Bbm經(jīng)腸道侵染豆天蛾幼蟲(chóng)；（D）Bbm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；（G）Bbm菌株屬于球孢白僵菌大孢變種；（H）Bbm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。