褐飞虱与共生菌在氨基酸合成代谢中的协同关系

Nilaparvata lugens (BPH)is the most destructive insect pest of rice in China. It is a monophagous insect and feeds on the rice phloem sap which contains unbalanced nutrition. The nutrition implementation mechanism is unclear. Symbiont, especially the yeast-like symbiont(YLS), is thought to play essential role in nutrition supply. Up to now, however, the biosynthesis pathways about important amino acids remains to be obscure. In our previous study based on transcriptomes of BPH, we found that the expressed genes involving in amino acid biosynthesis not only originated from BPH itself and YLS, but also came from bacteria. Based on this previously documented results, here we will explore genes that are related to amino acid biosynthesis in BPH and its symbionts (YLS and symbiotic bacteria) by use of a serious of molecular methods, including gene cloning, prokaryotic expression, immunofluorescent localization, qRT-PCR and RNAi,etc. Then we will contruct the whole biosynthesis pathways of amino acids and clarify the co-operation of BPH, YLS and bacteria in terms of amino acid biosynthesis. The results will facilitate us to understand the monophagous properties and the outbreak mechanism of BPH. They are also useful for the development of new type of BPH-resistant rice varieties and the sustainable applications of these varieties in the control of BPH.

褐飞虱Nilaparvata lugens是我国水稻生产的首要害虫，以营养不平衡的水稻筛管液为食，且食性专一。迄今为止，营养补偿机制尚不清楚。一般认为与共生菌有关，但以往认识多限于类酵母共生菌，且缺少有关营养物质合成途径的整体了解。项目组前期基于转录组的研究发现，褐飞虱体内表达的氨基酸合成基因，除与褐飞虱自身、类酵母菌有关外，还涉及共生细菌。在此基础上，本项目拟从氨基酸合成基因表达的整体层面出发，采用基因克隆、原核表达、荧光免疫定位、定量PCR、RNAi等技术，探明褐飞虱与体内类酵母菌、共生细菌在氨基酸合成中的作用，构建褐飞虱体内氨基酸合成代谢的完整途径。综合上述信息，明确褐飞虱与体内主要共生菌在氨基酸合成中的协同关系，揭示刺吸式口器昆虫不平衡营养的补偿机制。研究结果可揭示褐飞虱营养供应的薄弱环节，解读褐飞虱与水稻专一寄主关系的机制，并为抗褐飞虱水稻品种培育及其可持续利用提供依据。

褐飞虱取食的水稻汁液营养较不平衡，尤其氨基酸营养中的必需氨基酸含量低。一般认为褐飞虱体内的共生菌具有营养补偿作用。本项目集中探讨了褐飞虱及其体内类酵母共生菌、杀雄菌等共生菌在氨基酸代谢中的协同机制。.构建了褐飞虱体内氨基酸合成代谢的完整途径。研究结果表明，精氨酸、组氨酸、赖氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、苏氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、色氨酸等10种必需氨基酸合成途径中多数相关基因在褐飞虱自身基因组内缺失，但所缺失的基因存在于其体内类酵母共生菌（YLS）、杀雄菌属细菌Arsenophonus nilaparvatae（Ars）的基因组中，三者协同完成这些必需氨基酸的合成。.解析了氨基酸合成代谢中部分重要基因的功能。结果表明，SDH、Arg4和His1等源于YLS基因参与赖氨酸、精氨酸和组氨酸的合成，干扰这些基因影响了褐飞虱存活、发育等生理过程。.构建了褐飞虱体内氨基酸分解代谢途径。明确褐飞虱可独立分解苏氨酸、丙氨酸、甘氨酸、丝氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、苯丙氨酸、酪氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸、组氨酸、亮氨酸和赖氨酸等14个氨基酸，与类酵母共生共同完成色氨酸、半胱氨酸、精氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸和缬氨酸等的分解。.在本项目的资助下，本课题组发表第一标注论文7篇、第二标准论文1篇，第三标注论文1篇。研究结果补充、完善和丰富了褐飞虱及其体内共生菌在氨基酸等营养的协同关系，为调控褐飞虱-共生菌的共生系统，研发褐飞虱治理的分子靶标奠定了基础。.此外，在本项目资助下，发表研究论文9篇，1名研究生获得博士学位，4名研究生获得硕士学位。