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草地貪夜蛾（Spodoptera frugiperda）是全球玉米穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的重大威脅。玉米會產(chǎn)生丁布類化合物（benzoxazinoids，BXs）作為抵御草地貪夜蛾的主要次生代謝產(chǎn)物。然而，人們此前并不清楚草地貪夜蛾消化系統(tǒng)中的某些內(nèi)生菌是否能夠以及如何代謝?Bxs，進(jìn)而在其取食玉米葉片時增強(qiáng)其適應(yīng)性。研究人員以?Bxs?作為唯一碳氮源，成功從草地貪夜蛾幼蟲的腸道中分離出了泛菌屬的分散泛菌（Pantoea dispersa）。通過綠色熒光蛋白（GPF）標(biāo)記發(fā)現(xiàn)，該菌能夠在玉米的根和葉片內(nèi)定殖，并且在草地貪夜蛾幼蟲取食標(biāo)記GFP的玉米葉片后，成功定植于馬氏管和腸道中。

值得注意的是，這種關(guān)系一旦建立，分散泛菌能夠通過草地貪夜蛾的卵實現(xiàn)垂直傳播，這意味著草地貪夜蛾具備將來源于玉米的內(nèi)生菌轉(zhuǎn)化為可跨代傳播的共生細(xì)菌的潛力。大面積地理區(qū)域的調(diào)查進(jìn)一步證實，分散泛菌在草地貪夜蛾腸道和玉米葉片中廣泛存在，顯示其在田間環(huán)境中較強(qiáng)的適應(yīng)性進(jìn)化能力。通過測定草地貪夜蛾幼蟲腸道和糞便中的BXs，結(jié)合在玉米?bx2?突變體上開展的生物測定實驗，研究發(fā)現(xiàn)分散泛菌的定殖能夠通過代謝?Bxs（而非其他代謝產(chǎn)物）來促進(jìn)草地貪夜蛾幼蟲的生長。此外，通過基因組和轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，質(zhì)粒攜帶的基因而非其染色體上的基因在BXs代謝中起關(guān)鍵作用。通過體外原核表達(dá)質(zhì)粒上的兩個候選基因，研究進(jìn)一步驗證了這一結(jié)論。

該項研究表明，草地貪夜蛾能夠?qū)⒂衩變?nèi)生菌轉(zhuǎn)化為自身的“益生菌”，進(jìn)而對?Bxs代謝解毒并促幼蟲生長。這揭示了鱗翅目害蟲的一種全新策略?——?將宿主植物的“盟友”轉(zhuǎn)化為自身的“盟友”，這不僅有助于解釋草地貪夜蛾的快速蔓延，同時也加深了我們對“害蟲?-?微生物?-?植物”相互作用背后生態(tài)過程及進(jìn)化機(jī)制的理解。

相關(guān)研究成果近期發(fā)表在國際微生物學(xué)期刊Microbiome上，中國科學(xué)院昆明植物研究所植物與其它生物互作專題組齊金峰副研究員為該論文第一作者，西南林業(yè)大學(xué)王行研究員為該論文通訊作者。該工作得到了中國科學(xué)院西部之光項目、云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃以及云南省創(chuàng)新團(tuán)隊等項目的資助。

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圖?分散泛菌的分離、對丁布的代謝及在草地貪夜蛾體內(nèi)的定殖

A：草地貪夜蛾幼蟲腸道優(yōu)勢菌群及豐度；B:?以丁布為唯一碳氮源分離純化腸道菌群；C-D:?分散泛菌代謝丁布主要化合物（C,N分別代表碳源和氮源）；E-G:?草地貪夜蛾幼蟲解剖圖，熒光顯示為馬氏管中定植的分散泛菌；H-I:?泛菌進(jìn)一步在高齡幼蟲中定殖在精囊內(nèi)，以進(jìn)行垂直跨代傳播。