孫江華團隊在紅脂大小蠹-伴生真菌入侵共生體系維持機制研究方面取得進展

  越來越多的研究表明共生微生物在入侵種入侵過程中發揮重要作用。這些特定的微生物與入侵害蟲形成了緊密的互利共生關系,顯著地提高了其在入侵地的適應性。同時,也存在資源上的競爭,形成相互拮抗作用。營養資源的合理分配對維持昆蟲-微生物共生關系的穩定至關重要,但有關其機制的研究不多。

  紅脂大小蠹是一源自美國的重大林業外來入侵害蟲。自1999年在我國山西省發生後,又陸續在河北、河南、陝西等省暴發成災,致死健康松樹1000余萬株。動物研究所孫江華研究組通過對紅脂大小蠹-共生微生物體系的系統研究,證明了紅脂大小蠹與其一伴生藍變真菌Leptographium procerum 形成一共生入侵的复合体,并相继提出了红脂大小蠹及其伴生真菌的共生入侵假说(Lu et al. 2010)、伴生真菌独特单倍型促进虫菌的“返入侵”假说(Lu et al. 2011),构建了红脂大小蠹-伴生真菌-细菌-寄主油松跨四界互作模型(Cheng et al. 2016; 2018),揭示了调节红脂大小蠹-伴生菌间共生关系碳源分配的化学信号分子(Zhou et al. 2017)。

  研究組前期研究表明,三種伴生細菌揮發物氨氣能夠調控紅脂大小蠹與伴生真菌L. procerum互惠共生入侵体的碳源分配(Zhou et al. 2017)。但是,这种碳源分配调控对红脂大小蠹-伴生真菌L. procerum互惠共生入侵體的維持作用的分子機制尚不明確。本研究首先證實了伴生細菌揮發物NH3和铵態氮(NH4Cl)的處理改變了伴生真菌L. procerum對D-葡萄糖和D-松醇的消耗情況,這種碳水化合物消耗的改變顯著地促進了伴生真菌L. procerum的生長發育,緩解了紅脂大小蠹幼蟲的生長發育。通過13C6同位素示蹤實驗以及糖代謝分析,結果顯示在紅脂大小蠹-伴生真菌共生體系中,铵態氮的處理加快了有益伴生真菌L. procerum的D-葡萄糖和D-松醇的消耗速率;與此同時,結合轉錄組學分析以及基因敲除驗證,發現铵態氮也能夠通過激活有益伴生真菌L. procerum澱粉代謝途徑,促進其分泌胞外澱粉酶,將樹木韌皮中豐富的澱粉轉化爲營養價值更高的葡萄糖;並且,進一步利用基因敲除技術,成功驗證了關鍵轉錄因子SUC1在調控有益伴生真菌L. procerum糖代謝過程中的關鍵作用。文章揭示了伴生細菌揮發物氨氣,作爲氮源,通過加快有益伴生真菌L. procerum碳水化合物消耗速率以及誘導有益伴生真菌L. procerum將澱粉轉化爲優勢碳源葡萄糖來緩解由于碳水化合物快速消耗所導致的紅脂大小蠹與有益伴生微生物的營養競爭,維持互惠入侵共生體的穩定。由紅脂大小蠹伴生細菌揮發物NH3介導的紅脂大小蠹伴生真菌的營養物質消耗-補償策略,對于在營養匮乏的韌皮取食環境中緩解紅脂大小蠹與其有益伴生微生物之間的營養競爭是有利的,有助于維持入侵種紅脂大小蠹-有益伴生微生物互惠入侵共生體的穩定。

  論文于2020年8月20日发表在The ISME Journal, 动物研究所博士研究生刘芳华和助理研究員Jacob Wickham博士为論文共同第一作者,孙江华研究員为通讯作者。論文得到了中國科學院前沿重点项目和国家重点研发计划的支持。論文信息:Fanghua Liu, Jacob D Wickham, Qingjie Cao, Min Lu, Jianghua Sun. 2020. An invasive beetle-fungus complex maintained by fungal nutritional-compensation mediated by bacterial volatiles. The ISME Journal。

  論文链接:https://doi.org/10.1038/s41396-020-00740-w

  英文介紹鏈接:https://naturemicrobiologycommunity.nature.com/

  細菌揮發物對紅脂大小蠹-伴生真菌互惠入侵共生體系中糖代謝的調控示意圖

  Laboratory experiments show that when the beetle’s bacterial associates are absent (see left side of figure), the fungi preferentially consume the highly nutritional D-glucose, leaving behind pinitol, an inferior carbon source, resulting in poor beetle larvae growth and high mortality. However, in the presence of the beetles’ bacterial associates (simulated by presence of ammonia, see right side of figure), the fungus’ carbohydrate consumption is accelerated, consuming both pinitol and D-glucose converted from starch by the associated fungus,which reduced the competition for carbon soucrce between the beetle and fungus.

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