茶尺蠖与其肠道微生物协同互作的寄主适应机制

It has been indicated that gut microbiota involved in many vital physical processes of host including nutrients metabolizing、development and growing. However, few studies were conducted to host-plant adaptation mechanisms from the cooperation between insect and its gut microbiota and how do insect regulate its gut microbiota to accommodate the host diversity. In present study, using Ectropis obliqua Prout, one of the most important pest of tea and its gut microbiota as a research object, we will dissect the structure and function of gut microbiota in the Ectropis obliqua Prout by 16s rDNA pyrotag and metagenomics analysis, and test it. Meanwhile, we will compare the structure and function of gut microbiota of Ectropis obliqua Prout by feeding different host plant to reveal the mechanism of insect regulate its gut microbiota to adapated to host diversity. The results of these studies will not only present novel evidence to answer the mechanisms of host-plant adaptation, but also provide new thought for developing the control strategy on this pest species.

肠道微生物在昆虫的营养代谢、生长发育等关键生理过程中发挥了重要作用。但从昆虫肠道微生物与宿主互作的角度研究昆虫反寄主防御机制以及昆虫调控肠道微生物以适应寄主多样性方面的研究还非常有限。本项目以茶树重要害虫茶尺蠖及其肠道微生物为对象，应用16srDNA和宏基因组学测序技术研究茶尺蠖肠道微生物的分布和丰度，挖掘并验证其代谢有毒次生物质的功能，探明其在反防御茶叶有毒次生物质中的作用。同时比较不同寄主对茶尺蠖肠道微生物结构和功能的影响，揭示茶尺蠖调控肠道菌群适应寄主多样性的机制。该研究不仅能从昆虫-肠道微生物协同互作的角度为寄主适应机制的阐释提供新的科学依据，同时也为该害虫的综合防治提供新思路。

茶尺蠖是危害茶树的主要害虫之一，严重制约了茶叶的经济价值。咖啡碱是茶树叶片中含量最高的生物碱，对一般昆虫有毒。但茶尺蠖却在长期与茶树协同进化过程中，不仅可以吸收消化茶叶营养物质，还逐渐形成了代谢咖啡碱的特殊能力。但目前茶尺蠖肠道共生菌是否参与咖啡碱的解毒还不清楚。因此，本研究首先通过扩增子高通量测序技术和传统培养方法初步探讨茶尺蠖肠道菌群与咖啡碱解毒之间的关系，结果表明，咖啡碱的胁迫对茶尺蠖幼虫肠道菌群组成的结构影响不大，但可在一定程度上改变菌群的相对丰度。通过传统分离纯化培养方法，从茶尺蠖幼虫肠道中分离到11株细菌和16株真菌。对菌株降解咖啡碱能力的检测发现，细菌降解咖啡碱能力较弱，而部分真菌能够一定程度地代谢咖啡碱。其中，菌株CF-F9 Penicillium sp.（36.31%），菌株CF-FF1 Penicillium mallochii（35.37%）和菌株CF-FF Penicillium paxilli（33.56%）的降解率相对较高。对其基因组进行测序分析，利用Pac-Bio和Hi-C技术完成了一个染色体水平的茶尺蠖基因组组装，经组装共获得了1622个Contig，基因组大小为751 Mb，Contig N50为6.34Mb。随后运用Hi-C对基因组数据做进一步的处理，得到染色体水平的基因组装结果。结果显示了31个染色体对，其组装大小为721Mb，scaffold N50为25.4Mb。转录组分析，在高浓度咖啡碱处理时，幼虫体内共鉴定出1740个差异表达基因(DEGs)，其中483个基因表达上调，而1107个基因表达下调。并且与0h相比，其余150个DEGs在不同时间点显示上调和下调。大多数上调发生在样品处理的3h和10h这个时间段内，大多数下调发生在10h和24h，这些变化都是由高浓度的咖啡碱所诱导产生的。这些经诱导而变化的基因经过GO富集注释后显示其大多数集中于编码核糖体蛋白、角质层蛋白和细胞色素P450s。本项目的研究为鳞翅目昆虫对咖啡碱衍生的害虫防御反应的分子机制提供了基础。