烟粉虱是一种半翅目粉虱科昆虫，被联合国粮农组织（FAO）认定为世界第二大植物害虫。烟粉虱能为害600余种寄主植物，其食性杂，寄主范围广，抗药性强，每年在世界范围内造成严重的经济损失。烟粉虱之所以为害如此严重，主要是因其广泛寄主适应性和杀虫剂抗药性。近年来，团队围绕这两个关键科学问题，先后揭示了烟粉虱对新烟碱类杀虫剂抗药性的分子机制（PNAS，2020；Science Advances, 2021），并在国际上首次发现了烟粉虱通过水平基因转移方式“偷盗”植物源解毒基因BtPMaT1代谢植物抗虫次毒素酚糖而进化形成广泛寄主适应性（Cell封面论文，2021）。研究成果获国际同行F1000Prime大力推荐，并入选两院院士评选的“2021年中国十大科技进展新闻”以及农业农村部评选的“2022中国农业科学十项重大进展”，获得国内外同行专家的高度关注和广泛认可。
在本研究中，张友军团队进一步在国际上首次报道了烟粉虱植物源水平转移基因BtFAD2-9可以帮助其自主合成PUFA和PGE2，从而使烟粉虱获得更强大的生殖能力，摆脱了对寄主植物营养依赖性，从而形成广泛寄主适应性。该研究在国际上首次报道了植食性昆虫利用植物源水平转移基因参与营养物质合成的分子机制，对理解植食性广泛昆虫寄主适应性分子机制提出了新依据。该成果以“A horizontally transferred plant fatty acid desaturase gene steers whitefly reproduction”为题于近日发表在国际著名综合性学术期刊Advanced Science（IF=15.1）。
图1 烟粉虱FAD2基因家族的鉴定
该团队在烟粉虱MED基因组中鉴定得到13个FAD2基因(BtFAD2)，分别分布于基因组的四个Scaffold。烟粉虱各龄期的qPCR结果表明，BtFAD2基因在烟粉虱成虫尤其是雄成虫中表达量较高，同时大多数基因在雄性和雌性成虫中具有显著表达差异，这意味着它们在烟粉虱不同性别中具有功能差异。系统发育分析表明，所有BtFAD2蛋白和其它粉虱科昆虫的FAD2蛋白与植物FAD2蛋白聚集在一起，而其它昆虫的Δ12去饱和样酶形成一个单独的分支。特别的是，BtFAD2-9与植物FAD2亲缘关系最近，这些结果使得他们将BtFAD2-9基因作为关键候选基因进行接下来的研究。
图2 BtFAD2-9的水平转移事件分析
通过对BtFAD2-9进行BLASTP检索后发现得到的同源蛋白均为植物蛋白。同时，基因组数据分析与基因组区域PCR扩增实验证实了BtFAD2-9基因水平转移事件的准确性，并证明BtFAD2-9确实被整合到烟粉虱MED基因组中。进一步的系统发育分析表明，BtFAD2-9基因在烟粉虱分裂之前就已经存在，暗示其并不是烟粉虱独立获得的，而可能是在粉虱科祖先就已经发生了水平转移事件。这些结果表明BtFAD2-9基因不是植物基因污染造成的，而是粉虱科祖先从寄主植物中水平获得。
图3 BtFAD2-9的酶活代谢功能分析
为了分析BtFAD2-9的代谢活性，他们将BtFAD2-9基因在酿酒酵母中进行异源表达并进行体外酶活性测定。结果显示转入BtFAD2-9酵母菌液的脂质提取物具有PUFA亚油酸，而对照菌液中不存在亚油酸。本实验证明了BtFAD2-9可以编码Δ12去饱和酶，从而将单不饱和脂肪酸油酸转化为多不饱和脂肪酸亚油酸。
图4 BtFAD2-9在烟粉虱不同组织中的定位
为了进一步研究BtFAD2-9基因在烟粉虱中的生物学功能，qPCR和免疫荧光技术被用于检测BtFAD2-9时空表达特征。首先，qPCR结果显示BtFAD2-9基因在烟粉虱成虫腹部显著高表达。其次，免疫荧光结果显示BtFAD2-9蛋白特异性富集烟粉虱雌雄成虫生殖腺中，而在中肠和唾液腺中没有富集。进一步结果显示BtFAD2-9蛋白在烟粉虱卵子发生中高度富集。最后，BtFAD2-9在卵泡细胞中的特异性定位表明其在卵子发生过程中发挥了重要作用。这些结果表明BtFAD2-9在粉虱的性腺中起作用，并在其精巢和卵巢的卵泡细胞中高表达。
图5 沉默BtFAD2-9对烟粉虱的生物学影响
为了进一步验证BtFAD2-9在烟粉虱体内的生物学功能，通过饲喂dsRNA和病毒诱导基因沉默（VIGS）技术对BtFAD2-9进行沉默。结果表明，BtFAD2-9被沉默后，雌雄成虫前列腺素E2（PGE2）含量显著下降。随后通过交配实验证明BtFAD2-9的沉默不仅显著降低了雌性成虫的生殖力，而且还影响了雄性成虫的交配成功率。上述结果暗示着BtFAD2-9基因参与了烟粉虱的生殖过程。
图6 转基因果蝇和转基因植物实验证明BtFAD2-9对烟粉虱生殖的作用
随后，研究团队一方面构建过表达BtFAD2-9的黑腹果蝇品系。在转入BtFAD2-9后，黑腹果蝇的后代数量显著上升。此外，与对照组野生果蝇相比，在表达BtFAD2-9的果蝇品系中检测到更高水平的PGE2。综上所述，BtFAD2-9基因增强了黑腹果蝇合成PUFAs的能力，从而使其获得更多的PGE2并获得更强的生殖能力。另一方面，我们构建了表达dsBtFAD2-9发夹特异性dsRNA的转基因烟草株系。食用转基因植物显著降低了烟粉虱孤雌繁殖和有性繁殖能力。综合上述实验，BtFAD2-9可能通过合成PGE2，从而增强了昆虫的繁殖能力。
图7 植物源水平转移基因介导的烟粉虱PUFA合成的分子机制
综上所述，该研究表明烟粉虱通过水平基因转移获取了植物源的FAD2基因。烟粉虱正是通过“授人以鱼，不如授人以渔”的精妙互作进化模式获得了寄主植物FAD2基因，并使其完美复制了寄主植物自主合成PUFA和PGE2的能力，强化了自身的生殖能力，摆脱了自身对寄主植物的营养依赖性，从而使烟粉虱能取食600余种PUFA含量不同的寄主植物而进化形成广泛寄主适应性。同时，该研究还提出了植物向昆虫转移的功能性水平转移基因作为基于RNAi的新一代害虫控制靶标的应用潜力，为害虫精准绿色防控提供了重要的理论依据。
文章来源：植物生物技术Pbj
