基因水平转移对罗伯茨绿僵菌生态适应性进化的贡献研究

Metarhizium robertsii occupies a wide range of ecological niches, and it exhibits parasitic, symbiotic and saprophytic growth. Phylogenomic analysis suggests that the ancestor of Metarhizium was an endophyte, with entomopathogenicity being an acquired characteristic. The evolutionary transition of a fungus from an endophyte to an insect pathogen provides a novel perspective on how new functional mechanisms important for host switching and virulence are acquired. Horizontal gene transfer (HGT) is the transmission of genetic material between species by any mechanism other than the routine process of sexual and asexual reproduction. HGT appears to be a common occurrence into and between fungi including M. robertsii, but the contributions of HGT to the ecological adaption by fungi remain unexplored. Here we propose to build a platform for high-throughput prediction of all HGT genes in M. robertsii, and elucidate the contributions of these genes to ecological adaption by M. robertsii by individually disrupting all HGT genes and analyzing the mutants' pathogenicity, rhizosphere competency and tolerance to abiotic stresses. In addition, we will also investigate the relationship between HGT and the development of host specificity in the acridid-specific Metarhizium acridum by comparing and analyzing the functions of HGT genes in the generalist M. robertsii and the specialist M. acridum. Completion of this proposal will for the first time reveal the contribution of horizontal gene transfer to the ecological adaption by a fungus and provide advanced insights into the pathogenicity, rhizosphere competency and tolerance to abiotic stresses, which could benefit the development of safe and highly efficient biological reagents that can function as both insecticide and biofertilizer.

基因水平转移是推动真菌基因组进化的动力之一，但人们对此动力与真菌生态适应性进化的关系知之甚少。罗伯茨绿僵菌生态位广泛，可寄生昆虫、与植物共生和腐生，它最初只是一个植物相关真菌，侵染昆虫的能力是后期获得的，因此它是研究真菌生态适应性进化的好材料。本项目以罗伯茨绿僵菌为材料，研究基因水平转移对真菌适应不同生态位的贡献。我们将搭建高通量技术平台，预测罗伯茨绿僵菌由基因水平转移获得的基因，逐一创建这些基因的突变体，并研究突变体的寄生昆虫、根际植物定植和抗逆能力，以阐明基因水平转移对罗伯茨绿僵菌生态适应性进化的贡献。还将研究基因水平转移对广谱性的罗伯茨绿僵菌和专化性的蝗绿僵菌杀虫谱的贡献，以期找出该进化动力与专化性形成的关系。完成本项目将首次全面揭示基因平行转移对一种真菌生态适应性进化的贡献，加深对绿僵菌致病、根际定植和抗逆机理的认识，为创建兼具杀虫和肥料功能的新型高效生物制剂提供理论支撑。

自然环境中出现新病原真菌可导致野生生物种群大幅度下降，甚至灭绝，但是新病原真菌的成因却是一个谜团。昆虫病原真菌绿僵菌的祖先是植物相关真菌，其杀死昆虫的能力是后来获得；这类真菌已成为研究新病原真菌成因的模式材料之一。基因水平转移（HGT）是真菌基因组进化的一个重要机制，但人们对该机制在真菌环境适应进化（包括毒力进化）的贡献知之甚少。本项目的目标就是阐明基因水平转移在罗伯茨绿僵菌毒力进化等环境适应性进化过程的贡献。项目主要有三个方面的研究内容。其一，全基因组预测罗伯茨绿僵菌通过基因水平转移获得的基因。其二，在研究HGT基因功能的基础上，解析基因水平转移这一机制在罗伯茨绿僵菌环境适应性进化过程中的贡献。其三，研究基因水平转移机制与绿僵菌寄主专化性形成的关系。取得的主要结果如下。其一，通过基因水平转移，罗伯茨绿僵菌从节肢动物或细菌共获得了18个基因。其中12个基因在穿透昆虫体壁阶段高水平表达。其二，6个基因在穿透昆虫体壁时起重要作用。2个脂质转运蛋白（MAA_05244和MAA_05652）参与利用外表皮上的蜡质为营养物质。3个蛋白酶不但自身降解体壁蛋白，还能诱导其它体壁降解酶的表达。上述脂质转运蛋白和蛋白酶的联合作用在罗伯茨绿僵菌穿透昆虫体壁时至关重要。其三，包括在进化树基部并具寄主专化性的白绿僵菌和蝗绿僵菌在内，所分析的7种绿僵菌都有3个脂质转运蛋白和蛋白酶MAA_00986，而获得这4个基因是绿僵菌成为昆虫病原真菌的必要进化事件。其四，获得蛋白酶MAA_01413等5个HGT基因扩大了绿僵菌的杀虫谱。在具寄主专化性的蝗绿僵菌中异源表达的MAA_01413不能自己能降解非天然寄主体壁，还能诱导该菌本身的体壁水解酶在非天然寄主体壁上表达，从而能成功感染非天然寄主。最后，我们发现4个HGT基因在罗伯茨绿僵菌定殖植物根部时起重要作用。完成该项目显著加深了对病原真菌毒力进化的认识，也是首次从全基因组水平系统揭示基因水平转移在一个真核生物环境适应性进化过程中的贡献。