氮代謝既能為生物體合成蛋白質、核酸等重要生物分子，也是生物體代謝、外排氨類等有毒氮廢物的途徑，是生物體發育繁衍的基礎。
2月2日，《科學—進展》（science advances）在線發表了中國農業科學院蔬菜花卉研究所（以下簡稱蔬菜所）研究員張友軍團隊的最新成果。他們發現昆蟲巧妙地“俘獲”了兩個微生物基因，成功構建了自身獨特的氮代謝途徑，從而增強了自身對不同氮含量寄主植物的營養適應性，最終對不同寄主植物形成了廣泛寄主適應性。研究發現，煙粉虱這種獨特氮代謝模式還可能存在于其他昆蟲中，具有一定的普適性。
煙粉虱成蟲。受訪者供圖
葷素搭配：什么都能吃的煙粉虱
作為臭名昭著的半翅目粉虱科害蟲，煙粉虱是世界糧農組織（FAO）認定的世界第二大植食性害蟲，也是迄今為止唯一被冠以“超級害蟲”的重大農業害蟲，被列為最危險的100種入侵物種。它通過刺吸植物汁液為害600多種寄主植物并在上面進行入侵和繁衍，為害全球多種重要農作物。
自從1996年煙粉虱在中國出現后，科學家們發現，一品紅和棉花這樣氮營養含量差異巨大的植物都能成為煙粉虱的適宜寄主。
煙粉虱究竟為何能在不同氮含量的寄主植物上繁衍存活一直是個謎。“從那時起，我對煙粉虱克服寄主植物中氮營養含量差異的方式產生了深深的興趣。”論文主要通訊作者張友軍回憶說。
珊瑚、一些昆蟲和綿羊等哺乳動物可以利用體內共生菌循環利用氮廢物。雖然動物的氮代謝相對保守，但研究發現部分陸生動物擁有獨特的氮代謝能力。因此，搞清楚動物獨特的氮代謝能力，對揭示物種適應性進化機制，解析物種多樣性成因具有重要意義。
正所謂“葷素搭配，營養美味”，這個道理同樣適用于農業害蟲——氨基酸等含氮物質是煙粉虱個體發育生殖、種群爆發為害的基礎。這些含氮營養合成和分解與煙粉虱氮代謝息息相關。
論文第一作者、天津農科院植保所副研究員楊澤眾告訴《中國科學報》，不同于絕大多數昆蟲，煙粉虱排泄獨特的氮廢物——氨基酸；同時，寄主植物的氮含量似乎對煙粉虱的影響也遠遠不及其他昆蟲。
他們首先成功預測了煙粉虱氮代謝網絡，并注意到兩個特別的基因——尿素羧化酶基因(BtUCA)和脲基甲酸酯水解酶基因(BtAtzF)。這兩個基因組成的氮代謝途徑能夠將尿素催化為氨，將保守的昆蟲氮代謝和煙粉虱獨特的氮終產物聯系起來。
“這些工作為我們后來系統解析煙粉虱獨特氮代謝的分子機理奠定了基礎。”張友軍說。
俘獲基因構建煙粉虱獨特氮代謝
昆蟲和高等動物中通常缺少尿素降解基因。那么，煙粉虱體內這兩個能降解尿素的基因從何而來？先前的煙粉虱功能基因組學研究經驗再一次為團隊提供了線索。隨后，張友軍團隊明確BtUCA和BtAtzF的確是煙粉虱在8600萬~3500萬年前“俘獲”的兩個微生物基因。
“也正是這兩個微生物源基因，為我們后續科研工作帶來了希望。讓我們感覺到昆蟲獨特氮代謝的分子機制將得到全新的解析。”論文共同第一作者、蔬菜所研究員郭兆將說。
“通過蛋白異源表達純化和酶活動力曲線測定，我們明確了煙粉虱俘獲的這兩個微生物源基因仍保留了其微生物基因的生物學功能，我們還發現這兩個基因能在煙粉虱體內穩定表達。這些研究結果表明這兩個基因在煙粉虱體內具有重要功能。”楊澤眾說。
接下來，他們分別在實驗室和自然環境下驗證了煙粉虱俘獲的這兩個微生物基因對煙粉虱氮代謝的影響：它們不僅在煙粉虱取食高氮含量寄主植物時參與合成體內氮廢物，降低有毒氮廢物對煙粉虱機體的損傷；也是煙粉虱在取食低氮含量寄主植物時氮廢物回收再利用生產線上的重要操作工，在氮脅迫下，為煙粉虱提供穩定的氮營養。
“煙粉虱利用俘獲的這兩個微生物基因獲得了高效氮代謝能力，它們是煙粉虱獨特氮代謝的重要成因和關鍵樞紐。”郭兆將說。
廣泛存在的進化機制
科學家普遍認為，昆蟲獨特氮代謝主要依靠自身體內共生菌。但在該研究中，張友軍團隊發現煙粉虱的獨特氮代謝途徑可能源自于俘獲的腸道微生物基因，而非體內共生菌。通過俘獲腸道微生物基因并將之整合入自身氮代謝，煙粉虱最終獲得了獨特氮代謝能力。
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2021年與張友軍團隊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。不久之前，他們還進一步揭示了煙粉虱利用竊取的植物不飽和脂肪酸合成酶保障自身強大生殖力的分子機制。
這一次，他們再次合作，系統解析了煙粉虱獨特氮代謝的分子機制。“我們揭示了一個類似于‘失之于朝，得之于野’的故事。不同于利用共生菌的大多數昆蟲，煙粉虱利用源自于腸道微生物的基因構建自身獨特氮代謝。該機制的發現豐富了我們對昆蟲獨特氮代謝機制的認識。”Turlings說。
除煙粉虱外，研究人員還在橘臀紋粉蚧和中華草蛉氮代謝中鑒定到潛在的微生物源水平轉移基因。他們因此推測橘臀紋粉蚧和中華草蛉等昆蟲也可能利用煙粉虱同樣的方式構建了他們自身獨特的氮代謝。“利用‘失之于朝，得之于野’方式俘獲微生物基因，構建自身獨特氮代謝的方式在昆蟲中可能具有一定普遍性。”Turlings說。
“雖然現階段仍不能明確該結論，但這仍是一個令人興奮的結果。這為我們揭示昆蟲適應性進化和物種多樣性成因提供了全新視角。”張友軍說。
迫令煙粉虱“投降”
氮是生物體生命活動的物種承擔者，但有毒氮廢物的積累也會損傷細胞，造成組織和肌體的損傷。因此，解析了煙粉虱獨特氮代謝后，張友軍團隊進一步制定了一套破壞煙粉虱“超級氮代謝力量”的實驗方案。即利用RNA干擾技術同時沉默煙粉虱俘獲的這兩個微生物源基因，探索其在煙粉虱精準綠色防治中的應用。
RNA干擾是指由雙鏈RNA誘發的、靶向mRNA特異性降解的現象。“我們設計了表達靶向兩個微生物基因特異性dsRNA的轉基因煙草品系。沉默這兩個俘獲的微生物基因后，當代和子代煙粉虱的存活率和生殖能力顯著下降。”郭兆將說。
此外，他們還發現，取食表達靶向兩個微生物基因特異性dsRNA的轉基因煙草品系，對煙粉虱的近緣種溫室白粉虱并無顯著影響。“這種轉基因煙草的構建僅不利于煙粉虱生存，但對非靶標昆蟲溫室白粉虱沒有任何影響。因此，這是一種高效精準安全的煙粉虱綠色防治新策略。”楊澤眾說。
相關論文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.adi3105
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