煙粉虱是世界糧農組織認定的世界第二大害蟲，也是至今為止唯一被冠以“超級害蟲”的農業害蟲，被列為最危險的100種入侵物種。它能夠在600多種植物上進行入侵和繁衍，為害全球農作物。
煙粉虱。受訪者供圖
近日，中國農業科學院蔬菜花卉研究所（以下簡稱蔬菜所）研究員張友軍團隊報道了煙粉虱可以通過“授人以漁”的方式“學習”植物的多不飽和脂肪酸合成技術，并將其用于提高自身生殖能力，減少對寄主植物的營養依賴性。相關成果12月26日在線發表于國際綜合性期刊《先進科學》（Advanced Science）。
強大的寄主適應性
煙粉虱是一種臭名昭著的半翅目粉虱科害蟲，它的形態酷似在中國肆虐一時的溫室白粉虱。1996年它在中國被發現，科學家們發現它能夠取食溫室白粉虱吃不了的葉菜，甚至更多種類的農作物。煙粉虱的出現破壞了先前對溫室白粉虱構建的防治系統，對農業生產造成了嚴重的危害。
“從那時候起，煙粉虱特別的取食范圍就給我留下了深深的印象?！闭撐闹饕ㄓ嵶髡邚堄衍娀貞浾f。
昆蟲的取食范圍是很重要的分類特征，據此可以將昆蟲分為單食性昆蟲、寡食性昆蟲和多食性昆蟲。煙粉虱就是一類典型的多食性昆蟲。
論文共同第一作者、蔬菜所研究員郭兆將告訴《中國科學報》，除了多食性之外，煙粉虱另一個特征就是它的取食方式，它是一種典型的刺吸式口器昆蟲，而它們主要依靠取食植物韌皮部汁液獲取營養。
植物韌皮部汁液主要成分是水，其中也包含了少量有機物，如糖類、氨基酸等，以及無機物，如金屬鹽離子等。但不同的植物韌皮部汁液所含的營養成分天差地別，如花生中富含脂肪酸類物質，而蕎麥中的脂肪酸含量極低。
“煙粉虱能吃600多種植物，像花生和蕎麥這樣脂肪酸類物質含量差異巨大的植物都可以成為煙粉虱的寄主?！睆堄衍娊榻B道，能迅速的適應不同營養組成的寄主植物意味著煙粉虱具有得天獨厚的營養供應機制。
于是，煙粉虱營養供應的分子機制馬上成為他們研究的重點方向。
通過對煙粉虱各類基因組進行高通量測序，以此數據進行功能富集分析，他們篩選出煙粉虱基因組中與營養供給相關的基因家族；通過與其它單食性、寡食性昆蟲基因家族進行比對，結合生物學、生態學和分子生物學方法，他們已經明確了煙粉虱背后強大的氨基酸、糖類、海藻糖合成和胰島素相關營養供給機制。
“這些工作為我們后來解析煙粉虱對多不飽和脂肪酸合成的分子機理奠定了基礎?！睆堄衍娬f。
昆蟲無法自主合成的多不飽和脂肪酸
張友軍團隊注意到一個特別的必須營養物質——多不飽和脂肪酸PUFA。這是一種在碳鏈上擁有2個及2個以上雙鍵的脂肪酸物質，它是所有生物的必需營養物質，具有供應能量、組成生物膜等多種重要功能。
特別的是，在昆蟲中，PUFA可以通過合成前列腺素E2在生殖發育過程發揮關鍵作用。
然而，目前研究表明，植物和微生物可以利用自身的FAD2基因合成PUFA，而動物（包括昆蟲）中通常缺少PUFA合成關鍵酶，所以只能通過飲食獲得足量的PUFA以保證正常生殖發育。
那么，具有超強食性的煙粉虱是如何完成自身PUFA營養供給的呢？
先前的基因組解析經驗再一次為團隊提供了線索。張友軍團隊從煙粉虱基因組中發現了疑似植物的多不飽和脂肪酸關鍵合成基因。
論文第一作者、蔬菜所博士后龔成介紹，他們在煙粉虱中發現了13條疑似關鍵合成基因BtFAD2，其中表達量最高的BtFAD2-9基因引起了他們的注意。
“也正是它為我們后續科研工作帶來了不少煩惱和期待。煩惱源于面對昆蟲基因組中一個植物源基因感到無從下手，而期待則因為感覺到超級害蟲煙粉虱的為害機制將得到全新的解析。”龔成說。
復制植物的“漁”為己用
他們很快確定了研究方向。由于這是一個植物源基因，首先要排除基因組測序污染的可能性，保證這個基因是真實存在于煙粉虱中的基因。
“通過構建進化樹，多序列比對分析，我們確定了BtFAD2-9是煙粉虱自己的基因，而不是測序污染導致的。這是一次由植物轉移到昆蟲中的水平轉移事件?！惫讓⒄f。
此前研究已經證明，水平基因轉移在原核生物之間經常發生，被認為是原核生物進化的重要驅動力。不過，節肢動物水平基因轉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移至昆蟲的實驗證據。
論文共同通訊作者、瑞士納沙泰爾大學昆蟲化學生態學家Ted Turlings教授說：“我與張友軍團隊在2021年合作完成了首個植物轉移到昆蟲的水平轉移基因鑒定和功能分析工作，如今，我們再次在煙粉虱中發現了一個植物源基因，如果能揭示它的功能，就太令人興奮了?！?span style="display:none">CJN流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM
進一步的物種分析表明，雖然BtFAD2-9同時存于煙粉虱的不同隱種（形態難以區分，但有生殖隔離的不同種）和包括溫室白粉虱在內的其他粉虱科昆蟲中，但僅有煙粉虱中存在除BtFAD2-9以外的12條BtFAD2基因，數量龐大的基因意味著什么呢？
龔成說，盡管該基因水平轉移的時間甚至在煙粉虱和溫室白粉虱分化之前（約86 百萬年前），但煙粉虱內部可能發生了一次或多次基因家族擴張事件，導致煙粉虱具有多個BtFAD2基因，也很有可能是煙粉虱食性與白粉虱發生差異的原因。
研究團隊分析發現，這個基因依然行使著和植物同源基因一樣的功能——生物合成PUFA。
“這似乎向我們展示了一個‘授人以魚，不如授人以漁’的故事。植物不僅給煙粉虱直接提供營養，還把自己合成營養物質的基因也借給煙粉虱，這使得煙粉虱借用植物的基因工具完成了自身的營養供給。”張友軍說。
迫令煙粉虱“繳械”
“試想在幾千萬年前，粉虱科的祖先從植物中獲得了BtFAD2-9基因。而幾千萬年后的我們發現BtFAD2-9的功能與植物FAD2相同，那么，我們又會怎樣利用這個基因呢？”郭兆將說。
因此，在解析了煙粉虱神奇的PUFA生物合成能力的分子機制后，張友軍團隊制定了一種實驗方案，來破譯煙粉虱竊取“超級力量”的用途，即利用RNA干擾技術沉默煙粉虱的BtFAD2-9基因，觀測煙粉虱的變化。
RNA干擾是指在進化過程中高度保守的、由雙鏈RNA誘發的、同源mRNA高效特異性降解的現象，其作用是使得相關基因沉默。
“我們設計了特殊的BtFAD2-9基因的片段，制作了發夾RNA，直接向煙粉虱飼喂發夾RNA，干擾效率約為50%，沉默該基因后，煙粉虱生殖能力顯著下降。”龔成說。
植物源水平轉移基因BtFAD2-9增強煙粉虱生殖力的分子機制。受訪者供圖
此外，他們還構建了可以沉默BtFAD2-9的轉基因煙草品系。他們發現，煙粉虱在取食轉基因煙草后，煙粉虱的生殖能力大幅下降。除此之外，長期觀測結果表明，煙粉虱取食轉基因煙草所產生的后代性別比例發生偏移。
“這種轉基因煙草的構建不僅破壞了煙粉虱的生殖能力，長此以往的性比例失衡將導致煙粉虱種群繁衍退化，這可能是未來應用于煙粉虱防治的核心策略?！饼彸烧f。
相關論文信息：https://doi.org/10.1002/advs.202306653
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