“‘以子之矛，攻子之盾’是戰(zhàn)國時期的一個典故，沒想到在昆蟲界也存在這種現(xiàn)象?！?/p>

中國農(nóng)業(yè)科學院蔬菜花卉研究所（以下簡稱蔬菜所）研究員張友軍告訴《中國科學報》，他們經(jīng)過20年的研究，終于證明煙粉虱在進化過程中“竊取”了宿主植物的基因用以“解毒”。

這一項“獨門絕技”使得煙粉虱能夠取食600多種植物，為害全球農(nóng)作物。它被聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織認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，被列為最危險的100種入侵物種。

3月25日，《細胞》在線發(fā)表了這一中外科學家團隊的合作成果。

4月1日，《細胞》將以封面文章形式正式出版這一成果論文。

這將為新一代靶標基因?qū)虻臒煼凼镩g精準綠色防控技術(shù)的研發(fā)提供全新思路。

煙粉虱 中國農(nóng)業(yè)科學院蔬菜花卉研究所供圖

“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，但科學家之前用來消滅溫室白粉虱的策略對其完全不起作用。

這就是入侵我國的害蟲煙粉虱。

“從那時候開始，昆蟲的食性之謎就成為我心中一個揮之不去的問題。”論文主要通訊作者張友軍回憶說。

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。

為什么昆蟲吃的植物不一樣？

多食性害蟲適應能力強，如何防治？食性顯然與害蟲的種群暴發(fā)危害密切相關(guān)。

1999年，張友軍開始帶領(lǐng)團隊探索昆蟲的食性之謎。

論文共同第一作者夏吉星告訴《中國科學報》，昆蟲取食寄主植物后，會誘導寄主植物產(chǎn)生防御反應，并生成大量對昆蟲而言有毒的次生代謝物，導致大部分昆蟲死亡。

次生代謝產(chǎn)物是植物抵御害蟲為害的重要武器，就好像一面“盾牌”。

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)植物的次生代謝物?！睆堄衍娬J為，煙粉虱是一個重要而關(guān)鍵的研究對象。

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，而且能分泌蜜露誘發(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)濟損失。
2001年起，該團隊將研究力量集中在了煙粉虱的寄主適應性及其暴發(fā)成災的機制上。

通過對全國范圍內(nèi)260多個田間種群共6000余個樣本的檢測，以及對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、擴散路徑和入侵特點。
通過生物學、生態(tài)學與分子生物學方法，他們明確了入侵煙粉虱種群擴散、暴發(fā)與其獨特的生物學特性、對高溫和變溫更強的適應能力、更強的寄主適應性有關(guān)。

“這些工作為我們后來解析煙粉虱對酚糖解毒的分子機理奠定了基礎(chǔ)。”張友軍說。

竊取植物之“矛”

友軍團隊從植物的次生代謝物入手，分析了煙粉虱喜愛的食物之一番茄葉片的代謝譜，檢測到9873種化合物，其中鑒定出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，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?！闭撐墓餐谝蛔髡?、蔬菜所研究員郭兆將說。

因此，當害蟲離去后，植物要快速降解掉多余的酚糖。

植物給自己準備的“解藥”就是酚糖丙二酰基轉(zhuǎn)移酶（PMaT）。

由它催化的酚糖丙二?；磻谥参锏纳^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？

以往的化學分析已經(jīng)不能解答這個難題。

一段時間里，煙粉虱的解毒機制研究進展緩慢。

2009年，Q型煙粉虱在國內(nèi)大面積暴發(fā)，并在番茄上傳播病毒，造成的經(jīng)濟損失達100多億元。

對煙粉虱的防控刻不容緩。

就在這時，基因組測序技術(shù)的進步帶來了突破瓶頸的希望。

張友軍團隊決定給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個基因。

論文共同第一作者楊澤眾告訴《中國科學報》，在分析煙粉虱復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。當時感覺很興奮”。

因為他們隨后證明，這個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。

“這是煙粉虱從植物那里‘偷盜’而來的基因，這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。

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，通常認為是原核生物進化的驅(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性進化的重要因素。

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)移至昆蟲的實驗證據(jù)。

論文共同通訊作者、瑞士納沙泰爾大學化學生態(tài)學家和昆蟲學家Ted Turlings說：“這項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?！?/p>

通過體外細胞表達酶活分析、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)，這個基因依然行使著和植物同源基因一樣的功能——對酚糖進行解毒。

“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。

用RNA干擾反制

“我們認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制，將該基因整合到煙粉虱的基因組中?！?/p>

Turlings說，“當然，這是一件看似不可能發(fā)生的事情，但試想在幾百萬年里，幾十億個昆蟲、病毒和植物穿越時間不斷進化，這種情況偶爾也會發(fā)生，如果獲得的基因?qū)ハx有利，那么它就會進化得更有利，并廣泛傳播。”

揭示了煙粉虱難以置信的適應能力的分子機制之后，張友軍團隊制定了一種策略，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種酚糖處理使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控制煙粉虱。

“當然，應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?！?/p>

Turlings說，“但在未來，我確實認為這是一種綠色高效安全的煙粉虱防治方法，因為該基因來源于植物，而且，現(xiàn)在我們明確了它的作用機制，我們也有能力應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。未來有可能應用到煙粉虱防治過程中?！?/p>

張友軍說，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

《中國科學報》 (2021-03-26 第1版 要聞 原標題為《20年！破解超級害蟲“獨門絕技”》)


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