共生菌在其宿主截形叶螨与植物互作中的作用机制研究

Bacterial endosymbionts of herbivorous insects play an important role in the arms race involving attack and defense between plant and herbivore. These bacterial endosymbionts can profoundly interfere with the outcome of plant-insect interactions in diverse ways. Symbiont-conferred reproduction and fitness benefits can favour their host occurrence. In recent years, there were outbreaks of Tetranychus truncates Ehara in China, but the underlying mechanisms involved are still unclear. Our previous investigation revealed that T. truncates harbored various endosymbiotic bacteria and these endosymbionts significantly improved their host fitness, which is potentially an important factor in the outbreaks of the host. By using genome, transcriptome and proteomics approaches, this project, from the perspective of mite-symbionts-plant interaction, will further investigate the regulation of symbionts on the metabolism of T. truncatus, and explore the role of symbionts in plant defense and nutrition metabolism and screening effectors to reveal the role and molecular mechanism of symbiosis in plant-spider mite interaction. The results are expected to clarify the interaction between plant-endosymbiont-insect and the potential role of symbionts in the outbreaks of mites, and that could be useful in controlling of mite pests and ensure the safety of agricultural production.

植食性昆虫共生菌在植物与宿主攻与守的“军备竞赛”中发挥着重要的作用。它们通过多种方式干扰植物与宿主的互作，提高宿主的生殖发育，促进宿主的种群增长。近年来，截形叶螨在我国大暴发，其暴发机制尚不清楚。项目组前期调查发现，截形叶螨感染多种共生菌，且共生菌显著提高宿主适合度，共生菌是宿主暴发的潜在重要因素。本研究将从叶螨-共生菌-植物互作的角度出发，拟通过基因组、转录组和蛋白组学等手段，调查共生菌对截形叶螨代谢的调控，探究共生菌对植物防御及营养代谢的影响并筛选效应子，揭示共生菌在植物与叶螨互作中的作用及分子机制。研究结果将有助于揭示植食者-细菌-植物的互作关系，阐明共生菌在截形叶螨暴发中的潜在作用，为害螨的绿色防控及保障农业生产安全奠定基础。

共生菌在其植食性昆虫宿主与植物互作中发挥着重要的作用。本项目研究我国重要害虫截形叶螨共生菌Wolbachia和Spiroplasma在其宿主生殖和植物防御等过程中的调控作用及分子机制。研究发现，截形叶螨的细菌群落优势菌群为变形菌门（Proteobacteria）、软壁菌门（Tenericutes）和厚壁菌门（Firmicutes），其中，优势共生菌Wolbachia和Spiroplasma感染改变宿主叶螨的细菌群落组成及多样性；共生菌Wolbachia和Spiroplasma均主要分布在宿主唾液腺和生殖组织，2种共生菌通过母代向子代的垂直传播方式在叶螨种群中稳定遗传，但并未检测到通过植物（菜豆或番茄）介导的水平传播；叶螨转录组分析表明Wolbachia感染通过调控宿主Rop基因的表达模式，进而影响宿主叶螨的消化、体色和生殖；截形叶螨共生菌Wolbachia（wTtru）基因组进化及功能分析发现，共生菌Wolbachia为B大株，共生菌Wolbachia（wTtru）基因组中存在与诱导宿主胞质不亲和相关的2个基因cifA和cifB，其分别编码的蛋白CifAwTtru和CifBwTtru结构域与已知诱导CI的基因编码的结构域具有较大差异，结合转基因果蝇生物学试验证实cif基因的变异是诱导宿主叶螨不完全胞质不亲和（CI）的关键因素；此外，感染共生菌Wolbachia和Spiroplasma的截形叶螨改变其诱导的番茄叶片茉莉酸（JA）与水杨酸（SA）代谢相关基因的表达量，但对番茄JA与SA的累积含量并无显著影响，表明共生菌感染调控番茄防御反应主要发生在JA与SA合成的下游，且感染共生菌Wolbachia和Spiroplasma消耗番茄叶片更多氨基酸；对不同共生菌感染的叶螨唾液蛋白分析发现，共生菌Wolbachia和Spiroplasma感染改变了叶螨唾液蛋白的组分和唾液蛋白基因（SHOT1）的表达水平，直接或间接地影响番茄防御反应、氨基酸代谢及叶螨生殖。本项目初步揭示了共生菌在宿主叶螨与植物互作中的潜在调控作用及其机制，研究结果有助于解析叶螨-共生菌-植物三者的互作关系，为该害虫和其他农业害螨的综合防治以及保障农业生产安全提供理论指导。研究成果发表研究论文13篇，培养研究生10名。