水平转移基因促进共生菌-烟粉虱共生关系维持的机制

Horizontally transferred genes (HTGs) refers to the transfer of genes between diverse species. The symbionts in bacteriocytes of the insects including the whitefly Bemisia tabaci tend to have degenerated genomes. HTGs expressed in bacteriocytes are able to complement for or duplicate the metabolic function of symbionts with reduced genome, thereby synthesizing essential nutrition. However, the mechanisms underlying contribution of HTGs to the maintenance of symbiont-insect symbiosis remain largely unknown. This proposal is based on our previous findings that HTGs facilitates the metabolic coevolution of symbionts and whitefly. We will compare the enzyme activity of recombinant protein of both HTGs and symbiont genes, compare the expression of HTGs and symbiont genes and their coded enzymes in response to various concentrations of metabolite precursors in the diet where insects feed on, examine the effect of HTGs recombinant protein on the release rate of metabolites by symbionts, and test the influence of HTGs expression regulation by RNAi and genome editing on the metabolism and biology of insects. We, for the first time, investigate the role of HTGs in the maintenance of symbiont-whitefly symbiosis by integrating metabolic activity analysis of enzymes (forward genetics) and gene expression regulation (reverse genetics). The findings will advance our understanding of symbiont-insect coevolution and interactions and also promote development of novel strategies for the control of insects like whiteflies in the field.

水平转移基因（HTGs）是指能在不同物种之间横向转移的基因。烟粉虱等昆虫含菌细胞表达的细菌源HTGs能够补偿或者重复基因组退化的共生菌的代谢功能，实现必需营养物质的合成。然而有关HTGs促进共生菌-昆虫共生关系维持的机制知之甚少。本项目围绕近期有关“HTGs促进共生菌和烟粉虱代谢共进化”的新发现，比较烟粉虱HTGs和共生菌基因重组蛋白的酶活力、比较二者编码的酶对昆虫饲喂前体化合物的表达响应，检测HTGs重组蛋白对共生菌化合物释放速率的影响，检测HTGs抑制或突变对烟粉虱代谢和生物学特性的影响。最后，明确烟粉虱HTGs在多大程度上能够替代具有相似代谢功能的共生菌基因。本项目首次通过酶的代谢反应和基因表达调控的研究方法，综合探索HTGs在共生菌-烟粉虱共生关系维持中的作用。所得结果不仅能够深化共生菌-昆虫协同进化关系及其互作机理的认识，还将为农业生产上烟粉虱等昆虫的有效防控提供新的思路和策略。

水平转移基因（HTGs）是指能在不同物种之间横向转移的基因。多个细菌源HTGs在烟粉虱含菌细胞中高表达，然而有关HTGs的功能却知之甚少。本项目围绕前期有关“HTGs促进共生菌和烟粉虱代谢共进化”的新发现，通过采用大肠杆菌基因敲除与替换技术、重组蛋白表达、免疫荧光蛋白定位、基因干扰、烟粉虱生理生化测定、烟粉虱适合度分析、共生菌滴度分析以及进化分析等技术方法，系统探索了HTGs在共生菌-烟粉虱共生关系维持中的作用。该项目揭示了烟粉虱水平转移基因panBC和Portiera协作合成泛酸，调控烟粉虱和共生菌的适合度；发现水平转移基因bioA、bioD和bioB能为烟粉虱合成生物素，并影响其适合度；阐明了水平转移赖氨酸合成基因能为烟粉虱合成赖氨酸，影响烟粉虱与原生共生菌和次生共生菌的共生关系；发现水平转移精氨酸合成基因影响烟粉虱的产卵量；证明了通过抑制水平转移基因的表达，打破烟粉虱-共生菌的互作关系，可用于烟粉虱的防治；发现含菌细胞共生菌通过调控宿主受精及合成B族维生素影响烟粉虱后代性比；阐明了含菌细胞自噬调控烟粉虱-共生菌的代谢互作。所得结果不仅能够深化共生菌-昆虫协同进化关系及其互作机理的认识，还将为农业生产上烟粉虱等昆虫的有效防控提供新的思路和策略。