烟粉虱。受访者供图

■本报记者 李晨

烟粉虱是联合国粮食及农业组织认定的世界第二大害虫，是迄今唯一被称为“超级害虫”的农业害虫，也是最危险的100种入侵物种之一。

近日，中国农业科学院蔬菜花卉研究所（以下简称蔬菜所）研究员张友军团队发现，烟粉虱可以“学习”植物的多不饱和脂肪酸合成技术，并将其用于提高自身生殖能力，减少对寄主植物的营养依赖性。相关研究成果在线发表于《先进科学》。

强大的寄主适应性

根据取食范围，可将昆虫分为单食性昆虫、寡食性昆虫和多食性昆虫。烟粉虱是一类典型的多食性昆虫。

论文共同第一作者、蔬菜所研究员郭兆将告诉《中国科学报》，除了多食性外，烟粉虱还是一种典型的刺吸式口器昆虫，主要依靠取食植物韧皮部汁液获取营养。

植物韧皮部汁液主要成分是水，还包含了糖类、氨基酸等少量有机物，以及金属盐离子等无机物。但不同植物的韧皮部汁液所含营养成分天差地远，如花生富含脂肪酸类物质，而荞麦的脂肪酸含量极低。

“烟粉虱能吃600多种植物，像花生和荞麦这些脂肪酸类物质含量差异巨大的植物都可以成为它的寄主。”论文主要通讯作者张友军介绍，能迅速适应不同营养组成的寄主植物，意味着烟粉虱具有得天独厚的营养供应机制。

于是，烟粉虱营养供应的分子机制成为张友军团队的重点研究方向。

通过对烟粉虱各类基因组进行高通量测序，并进行功能富集分析，他们筛选出烟粉虱基因组中与营养供给相关的基因家族；与其他单食性、寡食性昆虫基因家族比对，结合生物学、生态学和分子生物学方法，他们明确了烟粉虱背后强大的氨基酸、糖类、海藻糖合成机制和胰岛素相关营养供给机制。

“这些工作为我们后来解析烟粉虱对多不饱和脂肪酸合成的分子机理奠定了基础。”张友军说。

昆虫无法自主合成的多不饱和脂肪酸

张友军团队注意到一个特别的必需营养物质——多不饱和脂肪酸PUFA。这是一种在碳链上拥有两个及两个以上双键的脂肪酸物质，是所有生物必需的营养物质。在昆虫中，PUFA通过合成前列腺素E2在生殖发育过程中发挥关键作用。

然而，目前研究表明，植物和微生物可以利用自身的FAD2基因合成PUFA，而包括昆虫在内的动物通常缺少PUFA合成关键酶，所以只能通过饮食获得足量PUFA，以保证正常生殖发育。

那么，具有超强食性的烟粉虱是如何完成自身PUFA营养供给的？先前的基因组解析经验再一次为团队提供了线索。张友军团队从烟粉虱基因组中发现了疑似植物的多不饱和脂肪酸关键合成基因。

论文第一作者、蔬菜所从事博士后研究工作的龚成介绍，他们在烟粉虱基因组中发现了13条疑似关键合成基因BtFAD2，其中表达量最高的BtFAD2-9基因引起了他们的注意。

“它为我们后续科研工作带来了不少烦恼和期待。烦恼的是面对昆虫基因组中一个植物源基因感到无从下手，期待的则是超级害虫烟粉虱的为害机制将得到全新解析。”龚成说。

复制植物的“渔”为己用

团队很快确定了研究方向。由于这是一个植物源基因，首先要排除基因组测序污染的可能性，保证它是真实存在于烟粉虱中的基因。

“通过构建进化树和多序列比对分析，我们确定了BtFAD2-9是烟粉虱自己的基因，而不是测序污染导致的。这是一次从植物到昆虫的基因水平转移事件。”郭兆将说。

此前，相关研究一直缺少植物源功能基因水平转移至昆虫的实验证据。论文共同通讯作者、瑞士纳沙泰尔大学教授Ted Turlings说：“我与张友军团队在2021年合作完成了首个植物转移到昆虫的水平转移基因鉴定和功能分析工作。如今，我们再次在烟粉虱中发现了一个植物源基因，如果能揭示它的功能，就太令人兴奋了。”

进一步的物种分析表明，虽然BtFAD2-9同时存在于烟粉虱的不同隐种和包括温室白粉虱在内的其他粉虱科昆虫中，但仅有烟粉虱中存在除了BtFAD2-9外的12条BtFAD2基因。那么，数量庞大的基因意味着什么？

龚成说，尽管该基因水平转移的时间在烟粉虱和温室白粉虱分化之前，但烟粉虱内部可能发生了一次或多次基因家族扩张事件，导致烟粉虱具有多个BtFAD2基因，这很有可能是烟粉虱食性与白粉虱发生差异的原因。

研究团队分析发现，这个基因依然行使着和植物同源基因一样的功能——生物合成PUFA。

“这似乎向我们展示了一个‘授人以鱼，不如授人以渔’的故事。植物不仅给烟粉虱直接提供营养，还把自己合成营养物质的基因也‘借给’烟粉虱，这使烟粉虱借用植物的基因工具完成了自身的营养供给。”张友军说。

迫令烟粉虱“缴械”

“试想在几千万年前，粉虱科的祖先从植物中获得了BtFAD2-9基因。而几千万年后的我们发现BtFAD2-9的功能与植物FAD2相同，那么，我们又会怎样利用这个基因呢？”郭兆将说。

在解析了烟粉虱神奇的PUFA生物合成能力的分子机制后，张友军团队制定了一种实验方案破译烟粉虱窃取“超级力量”的用途，即利用RNA干扰技术使烟粉虱的BtFAD2-9基因沉默，再观测烟粉虱的变化。

“我们设计了特殊的BtFAD2-9基因片段，制作了发夹RNA，直接向烟粉虱饲喂发夹RNA，干扰效率约为50%。沉默该基因后，烟粉虱生殖能力显著下降。”龚成说。

此外，他们还构建了可以沉默BtFAD2-9的转基因烟草品系。烟粉虱在取食这种转基因烟草后，生殖能力大幅下降。除此之外，长期观测结果表明，烟粉虱取食转基因烟草所产生的后代性别比例发生偏移。

“这种转基因烟草的构建不仅破坏了烟粉虱的生殖能力，还使其性别比例失衡，将导致烟粉虱种群繁衍退化。这可能是未来烟粉虱防治的核心策略。”龚成说。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1002/advs.202306653