煙粉虱 中國農(nóng)科院蔬菜所供圖
“‘以子之矛攻子之盾’是戰(zhàn)國時(shí)期的一個(gè)典故,沒想到在昆蟲界居然真的存在這種現(xiàn)象。” 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所(以下簡稱蔬菜所)研究員張友軍告訴《中國科學(xué)報(bào)》,他們經(jīng)過20年研究,終于證明煙粉虱在進(jìn)化過程中“竊取”了宿主植物的基因用以“解毒”。
這一項(xiàng)“獨(dú)門絕技”使得煙粉虱能夠取食600多種植物,為害全球農(nóng)作物。它被世界糧農(nóng)組織認(rèn)定為世界第二大害蟲,也是至今為止唯一被冠以“超級害蟲”的農(nóng)業(yè)害蟲,被列為最危險(xiǎn)的100種入侵物種。
3月25日,《細(xì)胞》在線發(fā)表了這一中外科學(xué)家團(tuán)隊(duì)合作的成果。4月1日,《細(xì)胞》將以封面文章正式出版這一成果論文。這將為新一代靶標(biāo)基因?qū)虻臒煼凼镩g精準(zhǔn)綠色防控技術(shù)的研發(fā)提供全新思路。
張友軍(右一)和夏吉星(右二)、郭兆將觀察番茄上煙粉虱的實(shí)驗(yàn)情況 中國農(nóng)科院蔬菜所供圖
“食性”之謎
1996年,北京的蔬菜大棚里發(fā)現(xiàn)了一種長得很像溫室白粉虱的害蟲。它能夠取食后者吃不了的葉菜,甚至更多種類的農(nóng)作物。這讓科學(xué)家之前用來消滅溫室白粉虱的策略完全不起作用了。
原來這就是入侵我國的害蟲煙粉虱。
“從那時(shí)候開始,昆蟲的食性之謎就成為我心中一個(gè)揮之不去的問題?!闭撐闹饕ㄓ嵶髡邚堄衍娀貞浾f。
有的昆蟲只取食一種植物,如褐飛虱只吃水稻,屬于單食性;有的能吃一科內(nèi)或近緣科的多種植物,如小菜蛾只取食十字花科蔬菜作物,叫做寡食性;還有的能吃多種不同科的植物,如煙粉虱等,叫做多食性昆蟲。
食性與害蟲的種群暴發(fā)危害密切相關(guān) 中國農(nóng)科院蔬菜所供圖
為什么昆蟲吃的植物不一樣?多食性害蟲適應(yīng)能力強(qiáng),如何防治?食性顯然與害蟲的種群爆發(fā)危害密切相關(guān)。1999年,張友軍開始帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)探索昆蟲的食性之謎。
論文共同第一作者夏吉星告訴《中國科學(xué)報(bào)》,昆蟲取食寄主植物后,會誘導(dǎo)寄主植物產(chǎn)生防御反應(yīng),并生成大量對昆蟲而言有毒的次生代謝物,導(dǎo)致大部分昆蟲死亡。
次生代謝產(chǎn)物是植物抵御害蟲為害的重要武器,就好像盾牌保護(hù)著植物。而昆蟲為了存活下去必須對抗植物的次生代謝物,這樣才能隨心所欲地取食。
“煙粉虱能吃600多種植物,說明它能抵抗大多數(shù)次生代謝物?!睆堄衍娬J(rèn)為,煙粉虱是一個(gè)重要而關(guān)鍵的研究對象。
多食性是煙粉虱暴發(fā)成災(zāi)的主要原因 中國農(nóng)科院蔬菜所供圖
煙粉虱不僅通過刺吸寄主植物韌皮部汁液對其造成直接傷害,還能分泌蜜露誘發(fā)煤污病等植物真菌病害為害植物,更重要的是,煙粉虱能夠傳播300余種植物病毒,每年造成數(shù)十億美元的經(jīng)濟(jì)損失。
2001年起,該團(tuán)隊(duì)將研究力量集中在了煙粉虱的寄主適應(yīng)性及其暴發(fā)成災(zāi)的機(jī)制上。
通過對全國范圍內(nèi)260多個(gè)田間種群共6000余個(gè)樣本的檢測和種群間等位基因頻率、分化系數(shù)和基因流的研究,他們闡明了煙粉虱在我國的入侵分布現(xiàn)狀,入侵種群來源、擴(kuò)散路徑和入侵特點(diǎn)。通過生物學(xué)、生態(tài)學(xué)與分子生物學(xué)方法,他們明確了入侵煙粉虱種群擴(kuò)散、爆發(fā)與其獨(dú)特的生物學(xué)特性、對高溫和變溫更強(qiáng)的適應(yīng)能力和更強(qiáng)的寄主適應(yīng)性有關(guān)。
“這些工作為我們后來解析煙粉虱對酚糖解毒的分子機(jī)理奠定了基礎(chǔ)?!睆堄衍娬f。
竊取植物之“矛”
張友軍團(tuán)隊(duì)從植物的次生代謝物入手,分析了番茄葉片的代謝譜,檢測到9873種化合物。在檢測到的9873種化合物中,鑒定出290種酚糖,占2.93%。酚糖是一類重要的植物抗蟲次生代謝產(chǎn)物,主要由酚和糖苷組成,能抑制昆蟲生長發(fā)育。
奇妙的是,植物自己分泌的酚糖對植物本身也有害處。“過多的酚糖對植物生長發(fā)育不利。”論文共同第一作者、蔬菜所研究員郭兆將說。因此,當(dāng)害蟲離去,植物就要快速降解掉多余的酚糖。
過多的次生代謝產(chǎn)物對植物生長發(fā)育不利 中國農(nóng)科院蔬菜所供圖
植物給自己準(zhǔn)備的“解藥”就是酚糖丙二?;D(zhuǎn)移酶(PMaT)。由它催化的酚糖丙二?;磻?yīng)在植物的生命過程中發(fā)揮重要的“解毒”作用。
那么,喜歡吃番茄葉片的煙粉虱到底是怎么對付酚糖的?
以往的化學(xué)分析已經(jīng)不能解答這個(gè)難題。一段時(shí)間里,煙粉虱的解毒機(jī)制研究進(jìn)展緩慢。
2009年,Q型煙粉虱在國內(nèi)大面積爆發(fā),并在番茄上傳播病毒,造成經(jīng)濟(jì)損失100多億元。對煙粉虱的防控刻不容緩。
就在這時(shí),基因組測序技術(shù)的進(jìn)步帶來了突破瓶頸的希望。張友軍團(tuán)隊(duì)決定給Q型煙粉虱基因組測序。2013年,煙粉虱基因組測序完成,獲得了20786個(gè)基因。
論文共同第一作者楊澤眾告訴《中國科學(xué)報(bào)》,在分析煙粉虱復(fù)雜的高級功能和生物系統(tǒng)相關(guān)基因的過程中,“我們發(fā)現(xiàn)了后來被命名為BtPMaT1的基因。當(dāng)時(shí)感覺很興奮?!?/p>
因?yàn)樗麄冸S后證明,這個(gè)煙粉虱的基因與植物的酚糖丙二?;D(zhuǎn)移酶是同源基因。
“BtPMaT1基因的確存在于煙粉虱基因組中,而非植物基因組污染?!睆堄衍娬f,進(jìn)化樹分析結(jié)果表明,煙粉虱BtPMaT1基因的同源基因僅存在于植物和少量的真菌中?!斑@是煙粉虱從植物那里‘偷盜’而來的基因,是一種普遍存在于生物界的水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象?!睆堄衍娬f。
煙粉虱通過水平基因轉(zhuǎn)移事件從植物獲得PMaT1解毒基因 中國農(nóng)科院蔬菜所供圖
此前研究已經(jīng)證明,水平基因轉(zhuǎn)移在原核生物之間經(jīng)常發(fā)生,通常認(rèn)為是原核生物進(jìn)化的驅(qū)動力。越來越多的證據(jù)表明,水平基因轉(zhuǎn)移也是真核生物適應(yīng)性進(jìn)化的重要因素。
不過,節(jié)肢動物水平基因轉(zhuǎn)移事件的基因供體幾乎全是微生物,此前一直缺少植物源功能基因水平轉(zhuǎn)移至昆蟲的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
論文共同通訊作者、瑞士納沙泰爾大學(xué)化學(xué)生態(tài)學(xué)家和昆蟲學(xué)家Ted Turlings說:“這項(xiàng)研究在國際上首次提供了植物基因水平轉(zhuǎn)移至昆蟲中的功能性證據(jù),這種能夠代謝植物防御性毒素的基因——BtPMaT1僅存在于煙粉虱中,其他昆蟲中均不存在該基因?!?/p>
在煙粉虱的不同隱種(形態(tài)難以區(qū)分,但有生殖隔離的不同種)中均檢測到水平轉(zhuǎn)移基因BtPMaT1,而包括親緣關(guān)系最密切的溫室白粉虱在內(nèi)的其他昆蟲基因組中均未發(fā)現(xiàn)該基因。
夏吉星說,因此可以推斷,發(fā)生該基因水平轉(zhuǎn)移的時(shí)間應(yīng)該是在煙粉虱和溫室白粉虱分化之后(約86 百萬年前),煙粉虱各個(gè)隱種分化之前(約35.3 百萬年前),這可能解釋了煙粉虱比溫室白粉虱在番茄寄主的適應(yīng)性更強(qiáng)的原因。
通過體外細(xì)胞表達(dá)酶活分析、煙粉虱中腸組織酶活分析和煙粉虱排泄物酶活代謝分析發(fā)現(xiàn),這個(gè)基因依然行使著和植物同源基因一樣的功能——對酚糖進(jìn)行解毒。
“植物的‘矛’被煙粉虱偷來,反而變成了攻擊植物的‘矛’?!睆堄衍娬f。
煙粉虱利用BtPMaT1基因在中腸解毒植物酚糖 中國農(nóng)科院蔬菜所供圖
《細(xì)胞》雜志的專業(yè)審稿人說:“該研究代表了植物—昆蟲互作研究領(lǐng)域的重要進(jìn)展,闡述了新穎的抗性機(jī)制,并解釋了煙粉虱具有驚人的多種農(nóng)作物寄主適應(yīng)性的原因?!薄斑@篇論文利用巧妙的分子遺傳學(xué)方法揭示了昆蟲如何利用水平轉(zhuǎn)移基因來克服宿主的防御?!?/p>
用RNA干擾反制
“我們認(rèn)為植物的某種病毒可能攜帶了BtPMaT1基因,在被煙粉虱取食后,該病毒通過某種未知的機(jī)制,將該基因整合到粉虱的基因組中?!盩urlings說,“當(dāng)然,這是一件看似不可能發(fā)生的事情,但試想在幾百萬年里,幾十億個(gè)昆蟲、病毒和植物穿越時(shí)間不斷進(jìn)化,這種情況偶爾也會發(fā)生,如果獲得的基因?qū)ハx有利,那么它就會進(jìn)化得更有利,并廣泛傳播?!?/p>
揭示了煙粉虱難以置信的適應(yīng)能力的分子機(jī)制之后,張友軍團(tuán)隊(duì)制定了一種策略,來破解煙粉虱竊取的“超級力量”,即利用RNA干擾煙粉虱的BtPMaT1基因,使其對這種植物有毒化合物敏感。
RNA干擾是指在進(jìn)化過程中高度保守的、由雙鏈RNA誘發(fā)的、同源mRNA高效特異性降解的現(xiàn)象,其作用是使得相關(guān)基因沉默。
在這里,“我們用BtPMaT1基因的片段制作了發(fā)夾RNA,直接向煙粉虱飼喂發(fā)夾RNA,干擾效率約為50%,沉默該基因后,3種酚糖處理對煙粉虱的死亡率增加約20%?!睆堄衍娬f。
此外,他們還構(gòu)建了表達(dá)該發(fā)夾RNA的轉(zhuǎn)基因番茄品系。他們發(fā)現(xiàn),取食轉(zhuǎn)基因番茄的煙粉虱排泄物中,一部分酚糖類物質(zhì)的含量增加,且部分酚糖的酰基化產(chǎn)物降低。
“在沒有農(nóng)藥作用下,取食野生番茄7天后,煙粉虱死亡率為15.48%,取食轉(zhuǎn)基因番茄7天后煙粉虱死亡率為93.35%,而對非靶標(biāo)節(jié)肢動物蚜蟲和二斑葉螨沒有影響?!惫讓⒄f,轉(zhuǎn)基因番茄品系能夠有效的控制煙粉虱。
德國馬克斯·普朗克化學(xué)生態(tài)學(xué)研究所研究員Roy Kirsch博士公開了自己的《細(xì)胞》專業(yè)審稿人身份。他認(rèn)為這篇文章“非常有趣”,并將引起生態(tài)學(xué)家、進(jìn)化生物學(xué)家、植物化學(xué)家和害蟲防治者的極大興趣?!霸撗芯亢w從植物代謝譜到昆蟲的比較基因組以及兩者之間的所有內(nèi)容,從不同角度深入研究解決問題?!?/p>
“當(dāng)然,應(yīng)用這種方法還需要克服一些障礙,最明顯的就是人們對轉(zhuǎn)基因作物的憂慮?!?Turlings說,“但在未來,我確實(shí)認(rèn)為這是一種綠色高效安全的煙粉虱防治方法,因?yàn)樵摶騺碓从谥参?,而且,現(xiàn)在我們明確了它的作用機(jī)制,我們也有能力應(yīng)對煙粉虱基因可能發(fā)生的變化?!?/p>
“這種轉(zhuǎn)基因番茄轉(zhuǎn)入的基因是植物的同源基因,因此更加綠色高效。未來有可能應(yīng)用到煙粉虱防治過程中?!睆堄衍娬f,他們已經(jīng)申請了中國國家發(fā)明專利。
相關(guān)論文信息:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.02.014