共生真菌对Euops属卷叶象甲幼虫发育的营养功能及分子机制研究

During the long-term evolutionary process, some insects have developed a habit of cultivating fungi for food. Fungus cultivation in nonsocial insects are relatively few documented as compared to those social insects such as termites, ambrosia beetles and attine ants. Leaf-rolling weevils of the genus Euops represents a kind of typical fungal cultivation in non-social insects, our previous studies found that the larva of Euops chinensis feeds on the mixtures of cradle tissues and the mycelia of Penicillium herquei, but specific nutritional roles of the fungus in the food of the Euops weevils’ larva are still not clear. The aims of current proposal are: 1) to determine the relative contribution of P. herquei to the food of the Euops weevil’s larva at different developmental stages by stable isotope analysis; 2) to identify whether P. herquei can provide the larva at different developmental stages with N, amino acids and/or sterols, respectively, by a series of biochemical analysis; 3) to elucidate the molecular mechanisms of the fungus involving in nutrition provision and material synthesis at gene level by genome sequence and analysis of P. herquei. The outcomes will not only comprehensively reveal microbial dimensions in nutritional ecology of those nonsocial fungus-cultivating insects, but also improve our knowledge of symbiosis and coevolution between insects and microbes.

在长期的进化历程中，很多昆虫进化出了培植真菌作为食物的行为。目前研究较为详尽的是白蚁、食菌甲虫和attine蚂蚁等社会性昆虫与真菌共生体系，而非社会性植菌昆虫的研究实例则较少。Euops属卷叶象甲作为一类典型的非社会性植菌昆虫，我们前期研究发现，卷叶象甲Euops chinensis幼虫以叶苞组织和培植真菌Penicillium herquei的菌丝为食，但共生真菌在幼虫食物中的贡献及营养功能尚未明确。本项目拟通过稳定同位素分析，确定共生真菌在不同发育阶段卷叶象甲幼虫食物中的贡献比例；通过一系列生化分析，分别验证共生菌为不同发育阶段幼虫提供N素、甾醇、氨基酸等的营养潜能；最后通过共生真菌基因组测序分析，从基因水平阐明共生真菌在营养供给及物质合成方面的分子机制。研究结果将能深入揭示共生真菌在非社会性植菌昆虫营养生态学中的作用机制，丰富昆虫-微生物共生及协同进化理论体系。

昆虫与真菌共生在自然界很普遍，许多昆虫通过培植真菌作为食物或获得其它间接利益。植菌昆虫在一些社会性昆虫（如白蚁、食菌甲虫和attine蚂蚁）中最为常见，而在非社会性昆虫较少被关注。其中，Euops属卷叶象甲就是非社会性昆虫培植真菌的典型代表。本项目以虎杖上专食性卷叶象甲Euops chinensis及其共生真菌Penicillium herquei作为研究体系，首先通过稳定同位素分析，确定共生真菌在不同发育阶段幼虫食物中的贡献比例；其次通过一系列生化分析，分别验证共生菌为不同发育阶段幼虫提供N素、甾醇、氨基酸、维生素等的营养潜能；最后通过对共生真菌全基因组进行测序与分析，从基因水平阐明共生真菌在营养供给及物质合成方面的分子机制。主要结果如下：（1）共生真菌在幼虫食物中的贡献比例因发育阶段而异。幼虫最大的食物来源是真菌菌丝，且菌丝在幼龄幼虫食物中的相对比例最高。但是，随着幼虫的发育，菌丝在食物中的相对比例逐渐减少，而植物叶苞组织的相对占比则逐渐增加。（2）在E.chinensis幼虫、P.herquei菌丝中检测到麦角甾醇，且菌丝中麦角甾醇的含量显著高于幼虫；且幼虫与菌丝的N含量均显著高于叶片，说明P.herquei能为幼虫提供麦角甾醇和补充N元素。（3）通过靶标代谢组学对22种氨基酸和14种维生素进行整合分析，所有的氨基酸均在P. herquei菌丝中检测到，有4种必需氨基酸和8种非必需氨基酸在菌丝中的含量显著高于叶片。除了VB6，其余维生素均在P.herquei菌丝中检出，尤其是VB2在菌丝中的含量显著高于叶片。说明P.herquei 能为E.chinensis幼虫提供氨基酸和维生素。（4）对P.herquei全基因组进行测序分析，显示其基因组大小约为40,249,563 bp，G+C含量为46.72%。通过对Nr、GO、KEGG数据库的Blast搜索与比对，发现P.herquei基因组拥有多个与麦角甾醇、氨基酸及维生素合成与代谢相关的基因。这些结果阐明了P.herquei对E.chinensis幼虫的营养功能，并从基因水平全面解释了共生真菌营养供给的分子机理，丰富了非社会性植菌昆虫与真菌间的共生及协同进化理论体系。项目实施期间，共发表论文8篇，其中SCI论4篇；培养硕士生3名；参加国际、国内会议30余人次。