Video 1 文章解读

昆虫病原真菌是昆虫病原体中的最大类群，是自然界昆虫种群消长的重要调节因子，已被开发成为环境友好的微生物杀虫剂，用于防治多种农林和卫生害虫。然而，目前应用的生防真菌只能通过体壁途径侵染害虫，其防治效果易受不利环境因素（如干旱、高温和紫外线等）的影响，极大地限制了真菌杀虫剂的推广应用。本研究的初衷在于破译杀虫真菌不能经由肠道途径侵染昆虫的制约因素，寻求并提供使杀虫真菌获得肠道侵染能力的可能的新方法。研究过程中，我们意外地发现了一种新的白僵菌变种─球孢白僵菌大孢变种（Beauveria bassiana var. majus）（Bbm），它可以通过体壁和前肠双途径感染鳞翅目幼虫。值得注意的是，昆虫前肠是以往未曾报道的病原菌入侵途径。这一新发现对昆虫病原真菌仅通过体壁侵染昆虫的传统理论提出了挑战。

导读

与病原细菌和病毒经肠道侵染昆虫的途径不同，病原真菌一直被认为只能通过体壁侵染进而杀死昆虫。这种体壁侵染方式虽然在防治具有刺吸式口器的害虫上具有独特优势，但是真菌的感染和生防效率极易在干旱、高温和紫外线等不利环境因素的影响下大大降低。相比之下，昆虫消化道的湿润环境有利于真菌孢子的快速萌发和生长。因此，近百年来，许多科学家致力于寻找能够通过肠道侵染的杀虫真菌，这对于提高真菌杀虫剂的防治效果具有重要的意义。最近，中国科学院分子植物科学卓越创新中心（植物生理生态研究所）王四宝研究员团队在The Innovation杂志首次报道了昆虫前肠可作为病原真菌侵染途径的新发现。该研究还揭示了球孢白僵菌大孢变种通过碱性信号通路Aia-PalC-PacC，快速响应和耐受昆虫碱性肠道环境的分子机制。这一突破性新发现不仅颠覆了病原真菌仅能通过体壁侵染昆虫的传统理论和认知，也为研发“体壁+肠道”双重途径侵染的新型真菌杀虫剂开辟了新方向并奠定了理论基础。

图1 图文摘要

在真菌杀虫剂的实际应用过程中，病原真菌孢子萌发极易受到高温、低湿、强紫外线等不利环境因素的制约，导致这些通过体壁侵染的生防真菌的实际防治效果美中不足。昆虫消化道环境湿润且相对稳定，是病原细菌和病毒侵染昆虫的途径。近百年来，科学家们一直致力于探索发现能够通过肠道途径侵染昆虫的病原真菌，但始终未能获得直接证据证明病原真菌可以通过肠道感染昆虫。普遍观点认为，昆虫肠道内不适宜的pH环境、众多的消化酶以及多样的肠道微生物可能抑制了真菌孢子的萌发。长久以来，人们普遍认为体壁途径是昆虫病原真菌侵染昆虫的唯一途径。

发现球孢白僵菌Bbm菌株兼由体壁和肠道两种途径侵染昆虫

在探索肠道细菌是否影响真菌肠道侵染昆虫的研究中，王四宝研究员团队意外地发现了一株也能够通过肠道侵染鳞翅目昆虫的球孢白僵菌Bbm菌株。通过口服饲喂的研究方法，发现Bbm能够通过肠道侵染家蚕和豆天蛾幼虫。这种侵染方式不仅能快速杀死低龄幼虫，而且对即将化蛹的老熟幼虫同样致命。即使在干燥环境条件下，该真菌也能够通过肠道有效感染鳞翅目幼虫。另外，肠道菌群的存在与否不影响Bbm的肠道侵染能力。重要的是，与单一途径侵染相比，经体壁和肠道双途径侵染能够显著增强Bbm的杀虫效力（图2）。

图2 球孢白僵菌Bbm菌株兼具体壁和肠道双途径侵染昆虫的能力

首次发现真菌孢子能够通过前肠途径侵染昆虫

通过解剖和组织切片观察，即便在家蚕幼虫的中肠和后肠腔内发现了Bbm的分生孢子，但这些孢子并未萌发。仅在前肠内观察到真菌孢子的萌发，并进一步形成菌丝穿透前肠内壁。以上观察表明，前肠是球孢白僵菌Bbm通过肠道感染昆虫的入侵部位（图3）。

图3 组织切片观察发现前肠是真菌通过肠道感染昆虫的入侵部位

具备肠道侵染能力的Bbm菌株属于球孢白僵菌大孢变种

基于核糖体rDNA-ITS序列的系统发育分析表明，具备肠道侵染能力的 Bbm菌株与非肠道致病性菌株ARSEF252和ARSEF2860的亲缘关系很近，同属于球孢白僵菌（Beauveria bassiana）。进一步形态学分析发现Bbm菌株的分生孢子显著大于非肠道致病性菌株。因此，Bbm菌株属于球孢白僵菌的变种，根据孢子形态将其命名为球孢白僵菌大孢变种（Beauveria bassiana var. majus）（图4）。

图4 具备肠道侵染毒力的Bbm菌株属于球孢白僵菌大孢变种

Bbm通过Aia-PalC-PacC 调控通路快速响应并适应昆虫前肠强碱性环境

无论是通过体壁侵染还是肠道途径侵染，真菌分生孢子萌发都是真菌产生致病力的第一步。鳞翅目幼虫前肠环境呈现强碱性（pH 10.0~11.0）。研究发现，Bbm菌株的分生孢子在强碱性条件下具备快速萌发的能力。真菌耐碱性能力主要由进化保守的Pal-pH响应信号通路中的转录因子PacC调控。敲除PacC导致Bbm菌株的耐碱性能力和肠道致病性显著减弱。在碱性条件下，Bbm菌株中PacC转录表达迅速上调，同时PacC被快速水解活化（图5）。

图5 转录因子PacC调控Bbm菌株耐碱性和肠道致病性

PacC蛋白的水解活化依赖于上游传递碱性pH信号的PalC。在碱性条件下，Bbm菌株PalC基因快速响应并显著上调表达。敲除PalC能够抑制碱性条件下PacC蛋白的水解活化，并显著降低Bbm菌株的耐碱性和肠道侵染毒力。比较基因组分析发现，与非肠道致病性菌株相比，Bbm菌株PalC邻近基因Aia存在一个249 bp的片段缺失，导致Aia基因在碱性条件下被快速诱导表达。因此，BbmAia作为碱性诱导激活子（alkaline inductive activator，Aia），正向调控上游邻近基因PalC的表达，PalC促进PacC蛋白的水解活化，活化的PacC入核，激活下游碱性pH诱导基因的表达。这一新的pH响应调控通路Aia-PalC-PacC增强了Bbm菌株耐受昆虫前肠的强碱性环境，进而实现经由肠道侵染昆虫的能力（图6）。

图6 Bbm菌株通过Aia-PalC-PacC调控通路快速适应昆虫肠道强碱性环境

研究还发现，在非肠道致病性菌株中异源表达BbmPacC活性短肽能够使其获得肠道侵染能力（图7）。

图7 异源表达具有活性的BbmPacC短肽赋予ARSEF252菌株具备肠道侵染毒力

总结与展望

以往认为病原真菌只能通过体壁途径侵染昆虫。本研究首次发现，球孢白僵菌大孢变种Bbm能够通过体壁和前肠两种途径侵染鳞翅目幼虫。Bbm适应鳞翅目幼虫肠道强碱性环境的关键在于其进化出的碱性诱导激活子Aia。在碱性条件下，该激活子能够正向调控邻近的碱性pH信号响应基因PalC的表达，PalC进而有效促进Pal-pH信号通路中关键转录因子PacC的水解活化。活化的PacC进入细胞核，激发耐碱性相关基因的表达，从而增强Bbm菌株对强碱性前肠环境的快速响应和耐受性，从而获得经由肠道侵染昆虫的能力。这项发现挑战了教科书中关于病原真菌只能经由体壁途径侵染昆虫的传统理论，也为真菌杀虫剂的应用提供了新的思路。体壁和肠道的双重侵染途径有望显著增强真菌杀虫剂的防控效果，为开发新一代真菌杀虫剂开辟了新方向。

责任编辑

刘志鹏上海百趣代谢组学技术研究

赵丹 Baylor College of Medicine

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第五卷第四期以Article发表的“Unveiling a novel entry gate: Insect foregut as an alternative infection route for fungal entomopathogens” (投稿: 2024-04-10；接收: 2024-05-19；在线刊出: 2024-05-22)。

引用格式：Lai Y., Zheng W., Zheng Y., et al. (2024). Unveiling a novel entry gate: Insect foregut as an alternative infection route for fungal entomopathogens. The Innovation 5(4), 100644.

作者简介

王四宝，新基石研究员，中国科学院首批特聘核心研究员，中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所二级研究员，中国科学院大学教授、博士生导师，中国科学院昆虫发育与进化生物学重点实验室主任，“国家高层次人才计划”获得者，享受国务院特殊津贴专家。主要从事昆虫-微生物互作的分子机理及害虫防控新策略等研究，研究成果以通讯作者发表在Science (2017, 2021), Cell Host & Microbe (2023), Nature Microbiology (2021), Nature Aging (2024), The Innovation (2024), Science Advances (2020), Nature Communications (2019, 2023), PNAS (2017, 2021, 2023)和Cell Reports (2022)等国际主流学术期刊上。现任中国昆虫学会副理事长、上海市昆虫学会理事长、中国昆虫学会昆虫微生物组学专业委员会主任，中国菌物学会副秘书长、青年工作委员会主任等。荣获2022年度“中国科学院优秀导师”称号、2023年中国科学院大学领雁奖等，中国科学院2023年朱李月华优秀教师奖等。

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期刊简介

The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球58个国家；已被151个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有200位编委会成员，来自22个国家；50%编委来自海外(含39位各国院士)；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI，中科院分区表(1区)等收录。2023年影响因子为33.2，2023年CiteScore为38.3。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。