2015-08-19
2015年(nian)7月31日，咖(ka)啡(fei)螟(ming)蟲(chong)(chong)基因組(zu)草圖在Nature子刊《Scientific Reports》發(fa)表(biao)；而在此之前半個多月，另一Nature子刊《Nature Communications》上(shang)也發(fa)表(biao)了文章，論述(shu)咖(ka)啡(fei)螟(ming)蟲(chong)(chong)腸(chang)道微生物是(shi)如何(he)消化對其它大多數昆蟲(chong)(chong)來說都(dou)有較強(qiang)毒性的(de)咖(ka)啡(fei)因的(de)。
咖(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)是一(yi)種(zhong)(zhong)重要的(de)(de)(de)經濟作(zuo)(zuo)物(wu)，據估計每天消(xiao)費22.5億杯咖(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)。兩種(zhong)(zhong)主(zhu)(zhu)要商用(yong)咖(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)，一(yi)是中(zhong)果(guo)咖(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)（羅布(bu)斯塔咖(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)，C. canephora，2n=2x=22），另外一(yi)種(zhong)(zhong)是阿(a)(a)拉伯咖(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)（C. arabica， 2n=4x=44）。其(qi)中(zhong)二倍體的(de)(de)(de)中(zhong)果(guo)咖(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)，其(qi)全基因序列已(yi)于2014年發布(bu)，其(qi)中(zhong)主(zhu)(zhu)要成分(fen)(fen)咖(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)因的(de)(de)(de)合成代(dai)謝途徑及(ji)進化(hua)史也已(yi)闡明。咖(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)漿(jiang)果(guo)螟（coffee berryborer：Hypothenemus hampei）是一(yi)種(zhong)(zhong)源自非洲中(zhong)部的(de)(de)(de)甲(jia)蟲(chong)(chong)(chong)，是咖(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)作(zuo)(zuo)物(wu)危害(hai)(hai)(hai)(hai)最強的(de)(de)(de)害(hai)(hai)(hai)(hai)蟲(chong)(chong)(chong)，70%的(de)(de)(de)咖(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)產(chan)國/地(di)受(shou)其(qi)侵害(hai)(hai)(hai)(hai)。雌成蟲(chong)(chong)(chong)在咖(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)果(guo)實端(duan)部鉆孔，蛀入果(guo)內(nei)產(chan)卵(luan)；卵(luan)、幼蟲(chong)(chong)(chong)、蛹均(jun)在果(guo)內(nei)完(wan)成發育，成蟲(chong)(chong)(chong)羽化(hua)后鉆出果(guo)實。該(gai)蟲(chong)(chong)(chong)主(zhu)(zhu)要為(wei)(wei)(wei)害(hai)(hai)(hai)(hai)成熟的(de)(de)(de)果(guo)實及(ji)種(zhong)(zhong)子，不但破壞咖(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)風味，嚴重時使咖(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)減產(chan)90%甚(shen)至顆(ke)粒無收。但是長(chang)期(qi)以來(lai)，人們并不清(qing)楚(chu)這種(zhong)(zhong)害(hai)(hai)(hai)(hai)蟲(chong)(chong)(chong)的(de)(de)(de)作(zuo)(zuo)用(yong)機理，因為(wei)(wei)(wei)咖(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)因作(zuo)(zuo)為(wei)(wei)(wei)一(yi)種(zhong)(zhong)生物(wu)堿，通常是一(yi)種(zhong)(zhong)強效殺(sha)蟲(chong)(chong)(chong)劑，一(yi)般昆蟲(chong)(chong)(chong)是無法耐受(shou)的(de)(de)(de)。不清(qing)楚(chu)咖(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)漿(jiang)果(guo)螟消(xiao)化(hua)降解咖(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)因的(de)(de)(de)原(yuan)理，自然也就(jiu)無法有效地(di)提供控制這種(zhong)(zhong)害(hai)(hai)(hai)(hai)蟲(chong)(chong)(chong)生長(chang)的(de)(de)(de)措施。上述兩篇高(gao)分(fen)(fen)論文（主(zhu)(zhu)要作(zuo)(zuo)者(zhe)為(wei)(wei)(wei)來(lai)自美國、墨西哥和沙特阿(a)(a)拉伯的(de)(de)(de)研究人員）的(de)(de)(de)發表(biao)，為(wei)(wei)(wei)解決該(gai)問題打開了一(yi)扇大(da)門。
發表在(zai)《ScientificReports》上的(de)這篇(pian)論文完(wan)成了(le)對(dui)(dui)咖(ka)(ka)(ka)啡漿(jiang)(jiang)果(guo)螟(ming)基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)組和(he)轉(zhuan)錄(lu)組的(de)測序(xu)。這是第3個被測序(xu)的(de)鞘翅類昆蟲(chong)（甲蟲(chong)），其基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)組大(da)小約(yue)為163 MB，含(han)(han)19222個蛋白(bai)編碼基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)。通過對(dui)(dui)重點關(guan)注的(de)基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)家(jia)族的(de)分(fen)析，研究發現(xian)(xian)咖(ka)(ka)(ka)啡漿(jiang)(jiang)果(guo)螟(ming)基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)組中(zhong)含(han)(han)有大(da)量(liang)和(he)降解(jie)多糖和(he)拮(jie)抗(kang)植物排異(yi)功能(neng)相關(guan)的(de)基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)（羧酸酯酶(mei)家(jia)族、細(xi)胞色素P450家(jia)族、谷胱甘肽s-轉(zhuan)移酶(mei)家(jia)族、ABC轉(zhuan)運蛋白(bai)家(jia)族等(deng)），其中(zhong)部分(fen)是從細(xi)菌基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)組中(zhong)通過水平基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)轉(zhuan)移而來；此外研究還在(zai)咖(ka)(ka)(ka)啡漿(jiang)(jiang)果(guo)螟(ming)基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)組中(zhong)發現(xian)(xian)了(le)抗(kang)環(huan)戊二(er)烯類殺蟲(chong)劑和(he)抗(kang)微生(sheng)物基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)。這些基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)對(dui)(dui)于咖(ka)(ka)(ka)啡漿(jiang)(jiang)果(guo)螟(ming)入侵咖(ka)(ka)(ka)啡果(guo)實及種子(zi)具有重要(yao)作用(yong)，因(yin)(yin)為咖(ka)(ka)(ka)啡種子(zi)中(zhong)纖維素、半纖維素、膠質(zhi)等(deng)含(han)(han)量(liang)較高；但(dan)是在(zai)咖(ka)(ka)(ka)啡漿(jiang)(jiang)果(guo)螟(ming)基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)組本(ben)身(shen)中(zhong)，卻沒有找到和(he)咖(ka)(ka)(ka)啡因(yin)(yin)解(jie)毒（主要(yao)是通過去甲基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化）相關(guan)的(de)基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)。
在《NatureCommunications》論文中(zhong)(zhong)，研究人員選取了來自(zi)(zi)全世界(jie)7個不同(tong)(tong)地(di)(di)區（涵蓋(gai)亞(ya)洲、非洲和(he)(he)美洲）的(de)(de)咖(ka)(ka)(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)(fei)及咖(ka)(ka)(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)(fei)漿(jiang)(jiang)果(guo)(guo)螟樣(yang)本。通(tong)過使用(yong)傅里葉紅外光(guang)譜監測(ce)咖(ka)(ka)(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)(fei)因(yin)(yin)濃度，研究發(fa)現正常咖(ka)(ka)(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)(fei)漿(jiang)(jiang)果(guo)(guo)螟的(de)(de)排(pai)(pai)泄(xie)物(wu)中(zhong)(zhong)檢測(ce)不出咖(ka)(ka)(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)(fei)因(yin)(yin)；但(dan)是(shi)，如果(guo)(guo)咖(ka)(ka)(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)(fei)漿(jiang)(jiang)果(guo)(guo)螟先被(bei)含(han)廣(guang)譜抗生(sheng)(sheng)素（四環素、鏈霉素、利福(fu)平）處(chu)理過的(de)(de)食物(wu)飼養(yang)4周(zhou)之后，再用(yong)不含(han)抗生(sheng)(sheng)素的(de)(de)咖(ka)(ka)(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)(fei)飼養(yang)，其(qi)(qi)排(pai)(pai)泄(xie)物(wu)中(zhong)(zhong)咖(ka)(ka)(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)(fei)因(yin)(yin)含(han)量和(he)(he)經漿(jiang)(jiang)果(guo)(guo)螟消(xiao)(xiao)化(hua)(hua)之前(qian)相同(tong)(tong)，也就(jiu)是(shi)說(shuo)處(chu)理組(zu)喪失了消(xiao)(xiao)化(hua)(hua)咖(ka)(ka)(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)(fei)因(yin)(yin)的(de)(de)能(neng)力，而且(qie)漿(jiang)(jiang)果(guo)(guo)螟生(sheng)(sheng)長發(fa)育(yu)情況也明顯比對(dui)照組(zu)差。這些來自(zi)(zi)不同(tong)(tong)地(di)(di)區的(de)(de)漿(jiang)(jiang)果(guo)(guo)螟，其(qi)(qi)腸(chang)道(dao)微生(sheng)(sheng)物(wu)組(zu)成變化(hua)(hua)主(zhu)要(yao)(yao)是(shi)和(he)(he)咖(ka)(ka)(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)(fei)種類相關，因(yin)(yin)為兩(liang)種主(zhu)要(yao)(yao)咖(ka)(ka)(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)(fei)的(de)(de)重要(yao)(yao)區別就(jiu)是(shi)咖(ka)(ka)(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)(fei)因(yin)(yin)含(han)量不同(tong)(tong)，因(yin)(yin)此(ci)口味也不太相同(tong)(tong)；但(dan)不管(guan)來自(zi)(zi)何處(chu)，漿(jiang)(jiang)果(guo)(guo)螟腸(chang)道(dao)微生(sheng)(sheng)物(wu)都主(zhu)要(yao)(yao)由假(jia)單(dan)胞(bao)菌、腸(chang)桿菌等組(zu)成，其(qi)(qi)中(zhong)(zhong)尤以(yi)黃褐假(jia)單(dan)胞(bao)菌（Pseudomonas fulva）所占比例最(zui)高，該菌基(ji)因(yin)(yin)組(zu)中(zhong)(zhong)含(han)有ndmA基(ji)因(yin)(yin)，編碼咖(ka)(ka)(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)(fei)因(yin)(yin)脫(tuo)甲(jia)基(ji)酶(mei)(mei)，并且(qie)通(tong)過RT-PCR驗證該酶(mei)(mei)確(que)實表(biao)達(da)。與(yu)此(ci)相反，幾種不能(neng)消(xiao)(xiao)化(hua)(hua)咖(ka)(ka)(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)(fei)因(yin)(yin)的(de)(de)甲(jia)蟲及其(qi)(qi)腸(chang)道(dao)微生(sheng)(sheng)物(wu)中(zhong)(zhong)都沒有發(fa)現這種酶(mei)(mei)。前(qian)述經廣(guang)譜抗生(sheng)(sheng)素處(chu)理4周(zhou)后的(de)(de)漿(jiang)(jiang)果(guo)(guo)螟，用(yong)含(han)有黃褐假(jia)單(dan)胞(bao)菌的(de)(de)基(ji)本飼料飼養(yang)1周(zhou)后再用(yong)無菌基(ji)本飼料喂養(yang)，雖然生(sheng)(sheng)長發(fa)育(yu)情況沒有恢(hui)復，但(dan)消(xiao)(xiao)化(hua)(hua)降解咖(ka)(ka)(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)(fei)因(yin)(yin)的(de)(de)能(neng)力卻完全恢(hui)復。這些實驗都表(biao)明，咖(ka)(ka)(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)(fei)漿(jiang)(jiang)果(guo)(guo)螟消(xiao)(xiao)化(hua)(hua)降解咖(ka)(ka)(ka)啡(fei)(fei)(fei)(fei)(fei)因(yin)(yin)，靠的(de)(de)就(jiu)是(shi)其(qi)(qi)腸(chang)道(dao)微生(sheng)(sheng)物(wu)，尤其(qi)(qi)是(shi)其(qi)(qi)中(zhong)(zhong)的(de)(de)黃褐假(jia)單(dan)胞(bao)菌。
因(yin)此現在我(wo)們(men)就基本清楚咖(ka)啡漿果(guo)螟(ming)的(de)(de)生(sheng)存(cun)之道(dao)了(le)：宿(su)主和(he)(he)腸(chang)道(dao)微生(sheng)物(wu)(wu)協同作用，宿(su)主負責(ze)降解咖(ka)啡種(zhong)子(zi)中(zhong)富含的(de)(de)多糖，腸(chang)道(dao)微生(sheng)物(wu)(wu)負責(ze)降解咖(ka)啡因(yin)，所(suo)以這種(zhong)昆蟲才能完全寄生(sheng)在咖(ka)啡果(guo)實(shi)種(zhong)子(zi)中(zhong)。該研(yan)究再次證明了(le)宿(su)主和(he)(he)腸(chang)道(dao)微生(sheng)物(wu)(wu)共(gong)(gong)生(sheng)共(gong)(gong)進化(hua)的(de)(de)關系。上述(shu)兩篇重要(yao)論文的(de)(de)發表，揭示了(le)咖(ka)啡漿果(guo)螟(ming)利(li)用并(bing)耐(nai)受咖(ka)啡因(yin)的(de)(de)機理，為科學防治這種(zhong)害蟲，提高咖(ka)啡產量(liang)提供(gong)了(le)理論依據。
（本文由石(shi)憶(yi)湘博士整理）
原文檢索：
Ceja-Navarro, J. A.et al. Gut microbiotamediate caffeine detoxification in the primary insect pest of coffee. Nat. Commun. 6:7618，doi: 10.1038/ncomms8618 (2015).
Vega, F. E. et al. Draft genome ofthe most devastating insect pest of coffee worldwide: the coffee berry borer, Hypothenemus hampei . Sci. Rep. 5, 12525; doi:10.1038/srep12525 (2015).
