浙大農(nóng)學(xué)院陳學(xué)新教授團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜在Nature Communications發(fā)文揭示寄生蜂避免種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)的新機(jī)制
2021年9月16日，浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院陳學(xué)新教授、黃健華研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心詹帥研究員課題組在Nature Communications發(fā)表題為“Neofunctionalization of an ancient domain allows parasites to avoid intraspecific competition by manipulating host behaviour”的研究論文，揭示了寄生蜂通過調(diào)控寄主行為，從而避免種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)的新機(jī)制。
寄生蜂是自然界農(nóng)林害蟲種群數(shù)量有效控制的純天然作用因子。因此，寄生蜂廣泛應(yīng)用于農(nóng)林害蟲的綠色防控。寄生蜂不僅種類豐富，而且寄生習(xí)性也靈活多樣。依據(jù)寄生蜂每次在同一寄主體內(nèi)的產(chǎn)卵數(shù)及每頭寄主上成功羽化的寄生蜂子代數(shù)量，可以把寄生現(xiàn)象分為單寄生（solitary parasitism）（同一頭寄主上只育出1頭寄生蜂子代）和聚寄生（gregarious parasitism）（同一頭寄主體內(nèi)育出2頭或2頭以上同種寄生蜂子代）或共寄生（synparasitism）（同一頭寄主上有2種或2種以上寄生蜂同時(shí)寄生）。營(yíng)單寄生習(xí)性的寄生蜂每次寄生時(shí)大都只產(chǎn)一粒卵，且同一寄主上僅有一頭寄生蜂子代成功發(fā)育并羽化。因此，寄主體內(nèi)的過寄生（superparasitism）（同一寄主內(nèi)寄生蜂子代數(shù)量過多）通常會(huì)導(dǎo)致種內(nèi)或種間競(jìng)爭(zhēng)，是一種寄生資源的浪費(fèi)現(xiàn)象。有關(guān)營(yíng)單寄生習(xí)性的寄生蜂產(chǎn)卵策略以及如何避免種內(nèi)或種間競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)制是國內(nèi)外生物學(xué)家長(zhǎng)期關(guān)注的科學(xué)問題，但其具體機(jī)制尚不清楚。
小環(huán)腹癭蜂屬Leptopilina寄生蜂是漿果類害蟲包括斑翅果蠅的重要寄生蜂。團(tuán)隊(duì)在建立了多種小環(huán)腹癭蜂的寄生體系的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)2種近緣的小環(huán)腹癭蜂，即：布拉迪小環(huán)腹癭蜂L. boulardi和異腹小環(huán)腹癭蜂L. heterotoma具有十分明顯的避免同種寄生蜂過寄生的特性。因此，這兩種寄生體系是研究營(yíng)單寄生習(xí)性的寄生蜂避免種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)及機(jī)制的理想模型。團(tuán)隊(duì)首先發(fā)現(xiàn)在小環(huán)腹癭蜂寄生過程中，往往伴隨著寄主逃離食物表面的現(xiàn)象。通過比較逃逸和不逃逸的寄主，發(fā)現(xiàn)不逃逸的寄主呈現(xiàn)典型的過寄生現(xiàn)象，即體內(nèi)常有多個(gè)寄生蜂卵，提示寄主的逃逸行為是一種有助于寄生蜂避免種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)的策略。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)逃逸的寄主體內(nèi)均有被寄生蜂產(chǎn)卵和注入毒液蛋白的現(xiàn)象。通過整合基因組、轉(zhuǎn)錄組以及毒液蛋白質(zhì)組等多組學(xué)數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合RNA干擾等功能篩選技術(shù)，在寄生蜂毒液成分中鑒定出一類含RhoGAP結(jié)構(gòu)域的毒液蛋白（命名為EsGAP）。功能研究發(fā)現(xiàn)該家族蛋白能引起寄主幼蟲中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的活性氧（ROS）水平升高，從而導(dǎo)致寄主出現(xiàn)逃逸行為。研究團(tuán)隊(duì)最后還追溯了這類EsGAP基因的起源和演化歷程，發(fā)現(xiàn)在真核生物中廣泛存在的RhoGAP結(jié)構(gòu)域在進(jìn)化上存在大量獨(dú)立復(fù)制事件，其中的一個(gè)分支被小環(huán)腹癭蜂招募并最終特化成毒腺特異表達(dá)基因，獲得了調(diào)控寄主行為的新功能。
至此，本研究發(fā)現(xiàn)小環(huán)腹癭蜂調(diào)控寄主行為從而避免種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)的寄生策略，并在分子水平上闡明了寄生蜂毒液蛋白EsGAP參與調(diào)控寄主的逃逸行為，提出了避免過寄生與避免種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)的這種寄生策略在推動(dòng)寄生蜂種群分化和寄主范圍擴(kuò)張等方面的新理論。研究結(jié)果有助于深入理解寄生蜂避免過寄生的分子機(jī)制，為提升寄生蜂的生物防治潛能提供了理論基礎(chǔ)。
近年來，陳學(xué)新教授團(tuán)隊(duì)在寄生蜂調(diào)控害蟲機(jī)制方面取得了一系列突破性的研究成果。此項(xiàng)寄生蜂調(diào)控寄主行為的機(jī)制研究，是團(tuán)隊(duì)繼寄生蜂調(diào)控寄主生長(zhǎng)發(fā)育（Nature Communications, 2018）、調(diào)控寄主免疫（Nature Communications, 2021）、調(diào)控寄主營(yíng)養(yǎng)代謝（PLoS Pathogens, 2021）、調(diào)控因子整合機(jī)制（PLoS Genetics, 2021）等工作后，在寄生蜂調(diào)控寄主的分子機(jī)制研究方面的又一重要的發(fā)現(xiàn)和突破。
本論文第一作者為浙江大學(xué)陳佳妮博士后和中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心房剛奇博士研究生，通訊作者為黃健華研究員、詹帥研究員和陳學(xué)新教授。該項(xiàng)研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFD0200400），國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目（31622048）、重點(diǎn)項(xiàng)目（31630060）、面上項(xiàng)目（31772522和31672370）和中科院先導(dǎo)項(xiàng)目（QYZDB-SSW-SMC029和XDB27040205）等經(jīng)費(fèi)的支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25727-9
圖1. 寄生蜂避免過寄生與種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)的模式圖
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