2025-02-24
草地貪夜蛾（Spodoptera frugiperda，FAW）是全球玉米穩產增產的重大威脅，玉米會產生苯并噁嗪類化合物（Bxs）作為抵御草地貪夜蛾的主要次生代謝產物。然而，目前尚不清楚某些存在于草地貪夜蛾消化系統中的內生菌是否能夠代謝Bxs，以及這種代謝方式如何增強草地貪夜蛾取食玉米時的適應性。近期，中國科學院昆明植物研究所齊金峰副研究員團隊在《Microbiome》（IF=13.8/Q1）上發表了題為《The fall armyworm converts maize endophytes into its own probiotics to detoxify benzoxazinoids and promote caterpillar growth》的(de)研究成果，發現(xian)草(cao)地貪夜蛾能夠(gou)將玉(yu)米內生菌轉化為自身的(de)“益(yi)生菌”，進而(er)對(dui)Bxs代謝解毒并促幼蟲生長。這(zhe)揭示了鱗(lin)翅(chi)目害蟲的(de)一種全(quan)新策略——將宿主植物的(de)“盟(meng)友(you)”轉化為自身的(de)“盟(meng)友(you)”。
派森(sen)諾為該研究提供了微(wei)生(sheng)物組學及(ji)轉錄組學測(ce)序(xu)及(ji)分析服務，下面讓我們一(yi)起來看看這篇文(wen)章吧！
研究(jiu)背景
草地(di)貪夜蛾（FAW）是一種(zhong)鱗翅目害(hai)蟲(chong)(chong)，以350多種(zhong)植(zhi)物(wu)(wu)(wu)為食，可以在一個繁殖季節(jie)內(nei)完成(cheng)幾代，進化(hua)迅速(su)，并成(cheng)為世界范圍內(nei)的(de)地(di)方(fang)性害(hai)蟲(chong)(chong)。在中國報(bao)道僅一年后(hou)，FAW被列為嚴重威(wei)脅玉米生產的(de)一類作物(wu)(wu)(wu)害(hai)蟲(chong)(chong)。玉米抗昆蟲(chong)(chong)食草動物(wu)(wu)(wu)的(de)次生代謝產物(wu)(wu)(wu)是苯并惡嗪類（Bxs，包括異(yi)羥(qian)肟(wo)酸及其衍生物(wu)(wu)(wu)），它們(men)是直接參與玉米抗蟲(chong)(chong)反應的(de)廣譜化(hua)合(he)物(wu)(wu)(wu)，甚至可以作為天然殺蟲(chong)(chong)劑。
目前對(dui)(dui)植(zhi)(zhi)物(wu)-食草動物(wu)相互作用(yong)的研(yan)究(jiu)主(zhu)要集中在植(zhi)(zhi)物(wu)次生(sheng)(sheng)代(dai)謝(xie)(xie)物(wu)對(dui)(dui)食草動物(wu)的積累和解(jie)(jie)毒酶在昆蟲腸(chang)道的功能上。然而，對(dui)(dui)微生(sheng)(sheng)物(wu)是否有助(zhu)于植(zhi)(zhi)物(wu)抵御害蟲或幫助(zhu)害蟲解(jie)(jie)毒和代(dai)謝(xie)(xie)相關的抗(kang)蟲次生(sheng)(sheng)代(dai)謝(xie)(xie)物(wu)的研(yan)究(jiu)卻(que)很少。本研(yan)究(jiu)旨在確定FAW在食用(yong)玉(yu)米(mi)(mi)葉片時是否能將(jiang)玉(yu)米(mi)(mi)內生(sheng)(sheng)菌(jun)轉化為自(zi)身的內生(sheng)(sheng)菌(jun)，以及轉化后獲(huo)得的物(wu)種是否能代(dai)謝(xie)(xie)Bxs，幫助(zhu)FAW解(jie)(jie)毒這些(xie)化合物(wu)，促進其生(sheng)(sheng)長，闡明其潛在的機(ji)制。
研(yan)究結果
1.代謝Bxs的微生物的分離和鑒(jian)定(ding)
用(yong)表面(mian)滅菌(jun)(jun)(jun)(jun)的野生型(xing)玉米葉(xie)片(pian)喂養正(zheng)常和無(wu)菌(jun)(jun)(jun)(jun)的FAW幼蟲，發現(xian)正(zheng)常的幼蟲體(ti)重明顯(xian)大于無(wu)菌(jun)(jun)(jun)(jun)幼蟲，當這些幼蟲分別食用(yong)添加(jia)Bxs和沒有(you)添加(jia)Bxs飼糧時，無(wu)菌(jun)(jun)(jun)(jun)幼蟲僅在(zai)食用(yong)Bxs飼糧時體(ti)重增加(jia)較少；采用(yong)全(quan)長16S rRNA測序揭示了正(zheng)常FAW腸(chang)道微(wei)生物組組成；采用(yong)梯度稀(xi)釋和富集(ji)培(pei)養分離出(chu)能夠(gou)以Bxs為碳源和氮源的腸(chang)道菌(jun)(jun)(jun)(jun)，發現(xian)唯一對Bxs代謝有(you)顯(xian)著影響的菌(jun)(jun)(jun)(jun)株是(shi)Pantoea dispersa。
圖(tu)1代謝Bxs的微生(sheng)物的分離、培養和(he)鑒定(ding)
2.P. dispersa在玉米和(he)FAW中的定殖
使用GFP熒(ying)光標記(ji)P. dispera菌株(zhu)，發(fa)現P. dispera成功(gong)定殖(zhi)在(zai)(zai)玉米的(de)厚(hou)壁組織(zhi)和維(wei)管束中(zhong)；通過qPCR定量不同組織(zhi)中(zhong)GFP的(de)豐(feng)度發(fa)現P. dispera主要定殖(zhi)在(zai)(zai)FAW馬氏管中(zhong)，其次(ci)是腸道，且P. dispera在(zai)(zai)整只FAW幼蟲體內的(de)豐(feng)度與(yu)馬氏管中(zhong)的(de)豐(feng)度相當。
圖(tu)2 P. dispera在玉米和FAW幼(you)蟲(chong)分散(san)的(de)組(zu)織特異性定位
3.馬氏管中Bxs的富(fu)集(ji)
無菌FAW喂食人工飼料(liao)至5齡后(hou)，再喂食表面滅菌的(de)玉米葉2 d。經過(guo)4 h的(de)禁食期后(hou)，解剖中腸道(dao)和馬爾比(bi)基(ji)管(guan)進行Bxs定量檢測(ce),發現所有主要Bxs成分在馬氏(shi)管(guan)中的(de)含量均高于中腸。這表明FAW將有害的(de)Bxs成分運(yun)輸到馬氏(shi)管(guan)，避免中毒反應。
圖(tu)3馬氏管中Bxs的富集及其在促進(jin)FAW幼蟲生長中的作(zuo)用
4.P. dispersa促進FAW幼蟲生長的(de)作用
為了確定P. dispersa在馬氏管(guan)中(zhong)的定殖是(shi)否(fou)有(you)利于FAW的生長，將接種和未接種P. dispersa的無(wu)(wu)(wu)菌FAW幼蟲(chong)分別取(qu)食(shi)野生型和bx2突變體玉米(mi)（其中(zhong)幾乎沒(mei)有(you)Bxs）。發現接種P. dispersa的無(wu)(wu)(wu)菌FAW幼蟲(chong)增(zeng)重顯(xian)著，但以(yi)bx2突變體為食(shi)對FAW幼蟲(chong)的生長無(wu)(wu)(wu)影響，說明(ming)P. dispersa主要通過代(dai)謝Bxs化(hua)合(he)物影響FAW的生長，而不是(shi)其他代(dai)謝物（圖3F）。
圖4 FAW腸道微(wei)生(sheng)物群和P. dispersa的Bxs代謝
為(wei)了評估P. dispersa對整個幼蟲(chong)腸道(dao)微生(sheng)物組Bxs代謝的總體貢獻，進行了體內(nei)和體外(wai)實驗。發現，與無菌(jun)組相比，正常組和接(jie)種P. dispersa組腸道(dao)中Bxs水平均(jun)(jun)顯著降(jiang)低。由(you)此(ci)可見(jian)，接(jie)種P. dispersa和整個FAW幼蟲(chong)腸道(dao)菌(jun)群均(jun)(jun)可降(jiang)低FAW腸道(dao)Bxs水平。
5.P. dispersa在(zai)FAW中的(de)富集及垂直傳播
用qPCR技術在(zai)(zai)(zai)七(qi)個(ge)地區的(de)田(tian)間(jian)采集的(de)FAW腸(chang)道和(he)FAW侵染玉(yu)(yu)米(mi)葉(xie)(xie)中(zhong)(zhong)檢測到了P. dispersa，且其在(zai)(zai)(zai)FAW腸(chang)道中(zhong)(zhong)的(de)絕對豐(feng)度(du)顯著(zhu)大(da)于(yu)同田(tian)采集的(de)玉(yu)(yu)米(mi)葉(xie)(xie)片，2個(ge)月大(da)的(de)野(ye)生(sheng)型玉(yu)(yu)米(mi)葉(xie)(xie)片中(zhong)(zhong)P. dispersa的(de)絕對豐(feng)度(du)也顯著(zhu)高于(yu)bx2突(tu)變體(ti)葉(xie)(xie)片。這(zhe)些野(ye)外數據表明，在(zai)(zai)(zai)自(zi)然(ran)農田(tian)中(zhong)(zhong)，P. dispersa廣(guang)泛地分布(bu)在(zai)(zai)(zai)FAW和(he)玉(yu)(yu)米(mi)上。解剖(pou)接(jie)種GFP標記的(de)P. dispera的(de)蛹前期發現，在(zai)(zai)(zai)轉化為FAW益生(sheng)菌(jun)后，P. dispera可以通過FAW卵(luan)垂直傳播并進(jin)行代際傳播。
圖5 在玉米(mi)葉片和FAW腸道中(zhong)檢測到(dao)P. dispera及其垂直傳(chuan)播(bo)
6.P. dispersa不促進另一種玉米害蟲Mythimna separata的生長
為了(le)探索這種草食-微生物關系是否是FAW所(suo)獨(du)有的，實驗人(ren)員對接種
P.dispera和不(bu)接種(zhong)P. dispera的另一種(zhong)玉米害蟲M. separata進行了草(cao)食性能試驗。發(fa)現取食玉米葉片對正常M. separata生長有明顯影響，但對于接種(zhong)P. dispera的M. separata生長無顯著性差異。
圖6 P. dispera對M. separata幼蟲(chong)的生長(chang)發(fa)育(yu)沒有(you)影響
7.不同草(cao)食性昆蟲(chong)的(de)腸道微(wei)生物組成
對FAW和(he)兩種(zhong)經常報道(dao)的(de)(de)(de)玉(yu)米(mi)害蟲（M. separata和(he)S. litura）的(de)(de)(de)腸道(dao)微生(sheng)物進行了16S全(quan)長(chang)測(ce)序，發現三(san)種(zhong)昆(kun)蟲的(de)(de)(de)腸道(dao)微生(sheng)物的(de)(de)(de)群落(luo)組成具有顯著差異。 P. dispera在(zai)FAW中(zhong)的(de)(de)(de)豐度(du)明顯高(gao)(gao)(gao)于其他(ta)兩種(zhong)昆(kun)蟲，在(zai)M. separata中(zhong)豐度(du)高(gao)(gao)(gao)于其他(ta)兩種(zhong)昆(kun)蟲的(de)(de)(de)所有asv都(dou)是放線(xian)菌(jun)(jun)門(men)，而在(zai)FAW和(he)S. litura中(zhong)豐度(du)更高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)asv都(dou)是變形菌(jun)(jun)門(men)和(he)厚壁菌(jun)(jun)門(men)。
圖7 通過細菌16S rRNA全長基(ji)因測序(xu)測定三種昆蟲的(de)腸(chang)道微(wei)生(sheng)物群
8.P dispersa中參與代謝Bxs的候選基因(yin)探索
為(wei)了(le)尋找P dispersa中與(yu)Bxs代謝有關(guan)的關(guan)鍵基因(yin)，對P dispersa進行了(le)基因(yin)組測序和引入Bxs前后的轉錄組測序。結果顯示，P dispersa基因(yin)組染(ran)色體(ti)大小為(wei)4.15 Mb，GC含量為(wei)57.70%，共(gong)包(bao)含3824個編碼(ma)基因(yin)。與(yu)對照組相(xiang)比，引入Bxs后，共(gong)有396個基因(yin)表達上調，237個基因(yin)表達下調。在前10個高表達基因(yin)中有7個來自質粒(li)，其中plasmid2_41和plasmid2_47是參與(yu)Bxs代謝的關(guan)鍵基因(yin)。
圖8 參與Bxs代謝的候選基因(yin)的鑒(jian)定
研(yan)究結論
（1）以Bxs作為唯(wei)一(yi)碳氮源，從草地貪夜蛾(e)幼蟲(chong)的腸道(dao)中分(fen)離出了(le)P. dispersa，該菌能夠(gou)在玉米(mi)的根和(he)葉片內定殖，并且在草地貪夜蛾(e)幼蟲(chong)取食標(biao)記GFP的玉米(mi)葉片后，成(cheng)功(gong)定植(zhi)于馬氏(shi)管和(he)腸道(dao)中；
（2）P. dispersa能夠通過草地貪夜(ye)蛾(e)的卵實現垂直傳播；
（3）P. dispersa的(de)定殖能夠(gou)通過代謝(xie)(xie) Bxs（而非(fei)其他代謝(xie)(xie)產物）來(lai)促進草地貪夜蛾幼(you)蟲的(de)生長(chang)；
（4）P. dispersa中(zhong)與Bxs代謝相關的基因是質粒攜帶(dai)的基因而非(fei)其染色體上(shang)的基因。
原文引用：
Qi, J., Xiao, F., Liu, X. et al. The fall armyworm converts maize endophytes into its own probiotics to detoxify benzoxazinoids and promote caterpillar growth. Microbiome. 2024, 12, 240.
原文鏈接：
//doi.org/10.1186/s40168-024-01957-z
