Advanced Science | 张友军团队揭示植物源水平转移基因在两种近缘粉虱中的生态位分化机制

近日，中国农业科学院蔬菜花卉研究所张友军团队在国际顶级综合性学术期刊Advanced Science在线发表了题为“Functional divergence of plant-derived thaumatin-like protein genes in two closely related whitefly species”的研究论文。该研究首次揭示了植物源水平转移基因类甜蛋白（thaumatin-like protein, TLP）在两种重要的农业害虫温室白粉虱（Trialeurodes vaporariorum）和烟粉虱（Bemisia tabaci）中的功能分化促进其生态位分化的奥秘，这一发现不仅拓展了我们对水平基因转移在昆虫生态适应性进化中的理解，也为害虫绿色防控提供了新靶点。

昆虫是地球上物种最丰富的动物群体，展现出显著的生态多样性及快速的进化速率。温室白粉虱和烟粉虱是世界广泛分布且对农业危害极其严重的两种粉虱科近缘种害虫。这两种近缘粉虱在形态学上高度相似，仅在成虫翅膀形态和若虫体表边缘等有细微差异。然而，它们却在包括寄主植物范围、杀虫剂抗性水平、植物病毒传播能力等多个生物学和生态学方面表现出显著不同，然而，这种昆虫近缘种生态位分化背后的分子机制鲜有研究。

水平基因转移（Horizontal gene transfer, HGT）是指基因从一个物种转移到另一个非亲缘关系的物种中，并在受体物种中稳定遗传的现象。已有大量研究证明，水平转移基因在受体物种中通常表现出功能保守性，能够延续供体物种中的原始生物学功能。但水平转移基因是否可能发生快速进化，乃至在近缘种间发生功能分化仍不清楚。

该团队在温室白粉虱和烟粉虱MED基因组中，鉴定到一条植物源的TLP基因（TvTLP和BtTLP）。为了系统地研究TLP基因功能，首先对粉虱共同祖先植物烟草中同源性最高的TLP基因（NtTLP）进行功能研究。使用不同植物病原真菌处理，以及构建NtTLP过表达及敲除植株，发现植物烟草NtTLP是一种抗菌蛋白，用以对抗植物病原真菌侵染（图1）。

图1. 烟草NtTLP功能分析

为了进一步探究TLP的功能，对TvTLP以及BtTLP在温室白粉虱和烟粉虱中的表达进行分析，发现温室白粉虱TvTLP在四龄若虫和成虫腹部的表达量最高，免疫荧光显示温室白粉虱TvTLP在成虫中肠中富集。相反，烟粉虱BtTLP在成虫期以及头部的表达量最高，并且烟粉虱BtTLP在成虫唾液腺中富集（图2）。TLP的表达差异促使作者进一步探究TLP基因在温室白粉虱和烟粉虱中的功能。

图2. TvTLP和BtTLP表达模式分析

作者接下来探索TvTLP是否和烟草祖先NtTLP具有相同的抗菌功能，通过RNA干扰(RNA interference, RNAi)技术沉默温室白粉虱TvTLP，并使用球孢白僵菌（Beauveria bassiana）对温室白粉虱进行侵染，发现温室白粉虱存活率显著降低且虫体病原菌增加。此外，使用温室白粉虱TvTLP蛋白处理，发现抑制了球孢白僵菌分生孢子的生长。使用SYTOX Green (SG) 核酸染色剂对球孢白僵菌菌丝以及分生孢子进行染色，结果显示TvTLP可以穿透真菌细胞膜。通过蛋白质-脂质覆盖法（Protein lipid overlay assay, PLO）分析结果显示，TvTLP可以与细胞膜磷脂结合。并且在TvTLP蛋白处理真菌孢子后，活性氧（Reactive oxygen species, ROS）的含量显著上升。这些结果表明 TvTLP 作为一种抗菌蛋白，通过靶向细胞膜磷脂，破坏质膜，并诱导ROS生成，从而抵御昆虫真菌的侵染（图3）。

图3. TvTLP通过渗透细胞膜并诱导活性氧的产生实现抗菌作用

结合BtTLP的表达模式以及RNAi实验证实BtTLP促进烟粉虱取食。通过Western blot以及IF （Immunofluorescence）分析，检测到BtTLP在烟粉虱取食过的烟草植株中存在，证实BtTLP是烟粉虱唾液分泌蛋白。结合Y2H和IP-MS筛选得到BtTLP潜在互作蛋NtOPR3。免疫共沉淀、酵母双杂交实验证实BtTLP与NtOPR3存在互作关系。通过构建NtOPR3过表达及突变体株系分析发现，烟粉虱在过表达NtOPR3的烟草植株上存活率及产卵量降低，且茉莉酸（Jasmonic acid, JA）含量升高；而在NtOPR3突变体株系中，烟粉虱存活率及产卵量升高，且JA含量下降。这些结果说明，烟粉虱通过分泌效应子BtTLP进入植物细胞，导致NtOPR3被26S蛋白酶体降解，从而抑制JA抗虫防御途径，进而促进了烟粉虱寄主适应性（图 4）。

图 4. 烟粉虱唾液蛋白BtTLP与NtOPR3互作进而影响JA免疫防御

综上所述，研究表明在烟草等植物祖先中，TLP主要用于对抗植物病原侵染。温室白粉虱和烟粉虱通过水平基因转移“窃取”了植物源TLP基因。最初，温室白粉虱和烟粉虱适应相同的生态环境，随着时间的推移，温室白粉虱TLP保留了祖先植物抗真菌的功能，利用TLP对抗昆虫病原真菌，而在近缘种烟粉虱中，TLP竟能编码一个效应蛋白用于抑制茉莉酸（JA）介导的寄主植物抗虫免疫防御反应（图5）。

图5. 植物源水平转移基因TLP在温室白粉虱和烟粉虱中的功能分化机制

中国农业科学院蔬菜花卉研究所博士后胡媛、龚成（已出站，现为扬州大学植保学院特聘教授），杨泽众（已出站，现为天津市农科院植保所副研究员）为本论文共同第一作者，张友军研究员、郭兆将研究院与瑞士纳沙泰尔大学Ted C. J. Turlings教授为论文的通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金创新研究群体项目等资助。

论文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202502193