2024年5月22日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王四寶研究組在Cell Press合作綜合性國際學(xué)術(shù)期刊The Innovation上在線發(fā)表了題為“Unveiling a novel entry gate: Insect foregut as an alternative infection route for fungal entomopathogens”的研究論文。該研究首次報道了昆蟲前腸可作為殺蟲真菌的侵染新途徑，并揭示了球孢白僵菌大孢變種通過堿性信號通路Aia-PalC-PacC，快速響應(yīng)和耐受昆蟲堿性腸道環(huán)境的分子機制。

昆蟲病原真菌是昆蟲病原體中的最大類群，是自然界昆蟲種群消長的重要調(diào)節(jié)因子，已被開發(fā)成為環(huán)境友好的微生物殺蟲劑，用于防治多種農(nóng)林和衛(wèi)生害蟲。然而，與病原細菌和病毒經(jīng)腸道侵染昆蟲的途徑不同，目前應(yīng)用的生防真菌只能通過體壁途徑侵染害蟲。這種體壁侵染方式雖然在防治刺吸式口器的害蟲上具有獨特的優(yōu)勢，但其防治效果易受不利環(huán)境因素（如干旱、高溫和紫外線）的影響，極大地限制了真菌殺蟲劑的推廣應(yīng)用。因此，尋找具有新型侵染途徑的殺蟲真菌對提高真菌殺蟲劑的防治效果具有重要意義。

昆蟲的消化道環(huán)境濕潤且相對穩(wěn)定，有利于真菌孢子的快速萌發(fā)和生長。近百年來，科學(xué)家們一直致力于探索發(fā)現(xiàn)能夠通過昆蟲腸道途徑侵染的病原真菌，但始終未能獲得直接證據(jù)證明真菌可以通過腸道感染昆蟲。普遍觀點認為，昆蟲腸道內(nèi)不適宜的pH環(huán)境、眾多的消化酶以及多樣的腸道微生物可能抑制了真菌孢子的萌發(fā)。因此，長久以來，人們普遍認為昆蟲病原真菌僅通過體壁途徑侵染昆蟲。

早在2014年，王四寶研究員團隊在探究腸道細菌影響真菌腸道感染的過程中，意外地率先發(fā)現(xiàn)了一株球孢白僵菌Bbm菌株，該菌株展現(xiàn)出了通過腸道侵染鱗翅目幼蟲的獨特能力。通過口服飼喂的研究方法（圖1A），證實Bbm能夠通過腸道侵染家蠶（圖1B）和豆天蛾幼蟲（圖1C）。這種侵染方式不僅能快速殺死低齡幼蟲，而且對即將化蛹的老熟幼蟲同樣致命（圖1D）。即使在干燥的環(huán)境條件下，該菌株也能夠通過口服方式有效感染鱗翅目幼蟲。另外，腸道菌群的存在與否不影響Bbm的腸道侵染能力。重要的是，與單一途徑侵染相比，經(jīng)體壁和腸道雙途徑侵染能夠顯著增強Bbm的殺蟲效力（圖1E）。通過解剖和組織切片觀察表明，前腸是球孢白僵菌Bbm通過腸道感染昆蟲的入侵部位（圖1F）。系統(tǒng)發(fā)育分析和形態(tài)學(xué)觀察，發(fā)現(xiàn)Bbm屬于球孢白僵菌的一個變種，其分子孢子的尺寸明顯大于普通的球孢白僵菌菌株，因此將其命名為球孢白僵菌大孢變種（Beauveria bassiana var. majus）（圖1G）。

真菌分生孢子萌發(fā)是其產(chǎn)生致病力的第一步。鱗翅目幼蟲前腸環(huán)境呈現(xiàn)強堿性（pH 10.0~11.0）。研究發(fā)現(xiàn)，Bbm菌株的分生孢子在強堿性條件下具備快速萌發(fā)的能力。真菌耐堿性能力主要由Pal-pH響應(yīng)信號通路中的轉(zhuǎn)錄因子PacC調(diào)控。敲除PacC導(dǎo)致Bbm菌株的耐堿性能力和腸道致病性顯著減弱。在堿性條件下，Bbm菌株中PacC轉(zhuǎn)錄表達迅速上調(diào)，繼而PacC蛋白被快速水解活化。PacC蛋白的水解活化依賴于上游傳遞堿性pH信號的PalC。在堿性條件下，Bbm菌株PalC基因快速響應(yīng)并顯著上調(diào)高表達。敲除PalC基因顯著抑制了PacC蛋白在堿性條件下的水解活化，并顯著降低Bbm菌株的耐堿性和腸道侵染毒力。比較基因組分析發(fā)現(xiàn)，與非腸道致病性菌株相比，Bbm菌株PalC鄰近基因Aia存在一個249 bp的片段缺失，導(dǎo)致Aia基因在堿性條件下被快速誘導(dǎo)表達。BbmAia作為堿性誘導(dǎo)激活子（alkaline inductive activator，Aia），正向調(diào)控鄰近基因PalC的表達。PalC通過蛋白水解活化PacC，活化的PacC入核，作為轉(zhuǎn)錄因子激活下游堿性pH誘導(dǎo)基因的表達。研究還發(fā)現(xiàn)，在非腸道致病性菌株中異源表達BbmPacC的活性短肽，能夠使其獲得腸道侵染昆蟲的能力。

綜上，本研究首次發(fā)現(xiàn)，球孢白僵菌大孢變種Bbm能夠通過體壁和前腸兩種途徑侵染鱗翅目幼蟲。Bbm適應(yīng)鱗翅目幼蟲腸道強堿性環(huán)境的關(guān)鍵在于其進化出的堿性誘導(dǎo)激活子Aia。這一新的pH響應(yīng)調(diào)控通路Aia-PalC-PacC增強了Bbm菌株耐受昆蟲前腸的強堿性環(huán)境，進而獲得經(jīng)由腸道侵染昆蟲的能力（圖1H）。這項新發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了教科書中關(guān)于病原真菌只能經(jīng)由體壁途徑侵染昆蟲的傳統(tǒng)理論，也為真菌殺蟲劑的應(yīng)用提供了新的思路。體壁和腸道的雙重侵染途徑有望顯著增強真菌殺蟲劑的防控效果，為開發(fā)新一代真菌殺蟲劑開辟了新方向。

中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心賴屹玲副研究員、博士研究生鄭偉路、鄭奕彤和江蘇科技大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生盧海泉（已畢業(yè)）為該論文的共同第一作者，王四寶研究員為通訊作者。工作人員曲爽博士、已畢業(yè)博士研究生王歷歷、江蘇科技大學(xué)李木旺教授等參與了該項研究工作。該研究得到了國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項目、國家重點研發(fā)計劃重點專項、新基石研究員項目、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會等資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.xinn.2024.100644

圖1. 球孢白僵菌大孢變種（Beauveria bassiana?var.?majus）經(jīng)前腸侵染昆蟲新途徑的發(fā)現(xiàn)及其機制。（A）對家蠶幼蟲口服飼喂真菌孢子；（B）球孢白僵菌大孢變種Bbm菌株能通過口服經(jīng)由腸道感染家蠶幼蟲；（C）Bbm經(jīng)腸道侵染豆天蛾幼蟲；（D）Bbm經(jīng)腸道侵染即將化蛹的老熟幼蟲；（E）與單一途徑侵染相比，經(jīng)體壁和腸道雙途徑侵染能夠顯著增強Bbm的殺蟲效力；（F）前腸是球孢白僵菌Bbm通過腸道感染昆蟲的入侵部位；（G）Bbm菌株屬于球孢白僵菌大孢變種；（H）Bbm菌株能夠通過體壁和前腸兩種途徑侵染鱗翅目幼蟲，并通過堿性信號通路Aia-PalC-PacC快速響應(yīng)和耐受鱗翅目昆蟲強堿性的前腸環(huán)境，從而獲得經(jīng)由腸道侵染昆蟲的能力。