水平转移基因PMAT增强烟粉虱寄主适应性的机制

It is of great significance to elucidate the mechanism of pest outbreaks and develop effective pest control technologies by revealing the interactions between insects and host plants. Phenolic glycosides are important plant secondary metabolites, which can effectively inhibit the harm of insects to host plants. Our previous studies have found that there was a phenolic glucoside malonyltransferase (PMAT) gene in the genome of Bemisia tabaci horizontal transferred from the plant genome. This project intends to use heterologous expression, protein purification and bioactivity determination to make clear the degradation characteristics of PMAT to plant phenolic glycosides; and further clarify the effects of PMAT gene on B. tabaci feeding, growth, reproduction and other biological characteristics by virus induced gene silencing (VIGS) technology; finally, elucidate the gene affects whitefly feeding habits and feeding behavior combined with the technology of VIGS and EPG. The related research results will reveal the interaction between B. tabaci and host plants mediated by horizontal transfer gene PMAT, the mechanism of co-evolution between insects and host plants, and the mechanism of pest population dispersal and outbreak.

揭示昆虫与寄主植物间互作关系对于阐明害虫种群暴发危害机制，开发有效的害虫防治技术意义重大。酚糖是植物产生的一种重要次生代谢产物，其能有效抑制昆虫对寄主植物的危害。申请者前期研究发现，烟粉虱基因组中存在从植物基因组水平转移而来的酚糖代谢酶（PMAT）基因。本项目拟通过PMAT编码基因的异源表达、蛋白分离纯化以及生物活性测定，明确其对植物酚糖的降解特性；并进一步通过病毒诱导的基因沉默（VIGS）技术阐明其对烟粉虱生长、发育和繁殖等生物学特性的影响；最后结合VIGS 技术和EPG技术阐明该基因对烟粉虱取食习性与取食行为的作用。相关研究结果将揭示水平转移基因PMAT介导的烟粉虱—寄主植物间的互作特性，揭示昆虫与寄主植物长期进化过程中的协同进化的机制和害虫种群扩散、暴发危害机制。

烟粉虱是世界范围内的入侵害虫。烟粉虱不仅通过刺吸寄主植物韧皮部汁液对其造成直接伤害，还能分泌蜜露诱发煤污病等植物真菌病害为害植物，更重要是作为病毒的超级载体（已报道烟粉虱能够传播300余种病毒），烟粉虱能够传播极具破坏性的植物病毒病，每年造成全球巨大的经济损失。极度多食性和广泛的寄主适应性（已报道其寄主植物超过600余种）是其暴发成灾的主要原因。在漫长的植物和昆虫的共进化过程中，植物产生多种次生物质抵御昆虫的为害，酚糖类物质就是其中典型的代表。酚糖广泛存在于各种植物中，它能够抑制昆虫取食，影响昆虫的生长发育，甚至对昆虫有致死作用。烟粉虱是能够为害600多种植物的“超级害虫”，因此，烟粉虱必然存在能够解毒酚糖的机制。本项目在烟粉虱全基因组测序的基础上发现烟粉虱中存在潜在的植物源水平转移基因BtPMaT1。我们利用生物信息学、分子生物学等方法证明BtPMaT1确实是水平转移基因，而非基因组测序造成的污染。利用超高效液相色谱分析了番茄叶片的次级代谢产物，检测到9873种代谢物中鉴定了6005种化合物，其中包含290种酚糖。根据酚苷骨架对所鉴定到的酚糖进行分类，选取又代表向的酚糖进行烟粉虱成虫的生测，发现部分酚糖对烟粉虱有致死作用。通过成虫饲喂和VIGS干扰BtPMaT1基因，发现抑制烟粉虱BtPMaT1表达能够增加有毒酚糖对烟粉虱的致死作用，并增加烟粉虱在番茄上的死亡率且降低其产卵量。通过异源表达和酶活测定等方法证明BtPMaT1蛋白就有酚糖代谢活性。构建转基因植物干扰烟粉虱BtPMaT1基因，能够有效地控制烟粉虱对番茄造成的危害，且对非靶标生物蚜虫和二斑叶螨无影响。本研究为探索昆虫适应性进化规律开辟了新的视角，是多食性昆虫广泛寄主适应性进化机制研究的重大突破，并为研发烟粉虱精准绿色防控技术提供全新思路。