近日，國際著名綜合性學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)科學(xué)（Advanced Science）》在線發(fā)表了中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室深圳分中心，以下簡稱基因組所）蕭玉濤團(tuán)隊(duì)的最新研究論文“Novel mito-nuclear combinations facilitate the global invasion of a major agricultural crop pest”,。該成果基于長期田間系統(tǒng)追蹤監(jiān)測,、飛行生物學(xué)、群體基因組學(xué)和比較轉(zhuǎn)錄組學(xué)等數(shù)據(jù)報(bào)道了草地貪夜蛾兩種線粒體生物型“分工明確、團(tuán)結(jié)協(xié)作、多兵種作戰(zhàn)”的入侵?jǐn)U散模式。

草地貪夜蛾是聯(lián)合國糧農(nóng)組織全球預(yù)警的重大遷飛性農(nóng)業(yè)害蟲,，原生于美洲熱帶和亞熱帶地區(qū)，根據(jù)寄主偏好性主要分為水稻型和玉米型兩種生物型。到目前為止,，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)中國地區(qū)的草地貪夜蛾是以玉米型核基因組背景為主導(dǎo)的雜交種群,，且核基因組背景比較單一（Zhang et al., 2020；2023）,。然而,，入侵中國的草地貪夜蛾種群含有兩種線粒體生物型，即攜帶水稻型線粒體個(gè)體（FAW-mR）和攜帶玉米型線粒體個(gè)體（FAW-mC）,。自2019年入侵我國以來,，研究團(tuán)隊(duì)通過連續(xù)3年（2019-2021）的田間系統(tǒng)追蹤監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)初期入侵我國和首批入侵我國非越冬區(qū)的FAW-mR比例占明顯優(yōu)勢（>98%）,。同時(shí),，研究提取了聯(lián)合國糧農(nóng)組織網(wǎng)站記錄的草地貪夜蛾首次入侵非洲各國家的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)入侵非洲的FAW-mR比例同樣具有相似的變化趨勢（圖1）,。研究推測FAW-mR可能具有更明顯的遠(yuǎn)距離遷飛優(yōu)勢,，率先遷入我國后逐漸擴(kuò)散蔓延。

圖1 | 2019-2021年草地貪夜蛾生物型的田間比例動(dòng)態(tài)變化

隨后,，研究團(tuán)隊(duì)在室內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)FAW-mR利用更快的振翼頻率,、更低的翅負(fù)載和更高的能量代謝來驅(qū)動(dòng)更強(qiáng)的遠(yuǎn)距離遷飛能力，快速入侵到新棲息地,；而FAW-mC則將能量更多地轉(zhuǎn)移到生殖投資（Maternal investment）中,，表現(xiàn)為更快的發(fā)育速率和更高的繁殖力?；诖罅康木€粒體全基因組數(shù)據(jù)和透射電鏡（TEM）分析發(fā)現(xiàn),，F(xiàn)AW-mR和FAW-mC線粒體編碼的蛋白基因中共存在18處穩(wěn)定的氨基酸變異，研究推測兩種生物型在我國新入侵環(huán)境中表現(xiàn)出的不同適應(yīng)性特征,，可能是由于線粒體編碼基因的個(gè)別氨基酸變化所導(dǎo)致的。為明確線粒體編碼蛋白中的氨基酸變化是否與兩者生物學(xué)差異相關(guān),，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了線粒體復(fù)合物結(jié)構(gòu)功能預(yù)測（圖2）,。

圖2 | 線粒體復(fù)合物結(jié)構(gòu)功能預(yù)測模型

線粒體復(fù)合物結(jié)構(gòu)功能預(yù)測發(fā)現(xiàn)，ND5有可能起著關(guān)鍵作用,，在復(fù)合物I結(jié)構(gòu)中,，線粒體編碼的ND5蛋白是四個(gè)質(zhì)子泵之一，核編碼的NDUFA11對于復(fù)合物I的組裝是必需的,，去除它將消除其活性,，直接影響生物體能量代謝進(jìn)程。研究發(fā)現(xiàn),，NDUFA11中的兩個(gè)殘基與線粒體ND5的“活塞臂”糾纏在一起,，其中FAW-mR苯丙氨酸的替換（ND5 550F）引入了一個(gè)更大的疏水芳香側(cè)鏈，預(yù)測會(huì)改變其與磷脂酰肌醇分子形成π-堆積的相互作用。這種結(jié)構(gòu)預(yù)測模型與FAW-mR中觀察到的更高ATP產(chǎn)量和更緊湊的線粒體結(jié)構(gòu)一致,。進(jìn)一步轉(zhuǎn)錄組分析表明FAW-mR上調(diào)基因顯著富集到能量代謝相關(guān)通路,，可以產(chǎn)生較多遠(yuǎn)距離飛行所需的能量（圖3）。

該研究從現(xiàn)象（生態(tài)學(xué)現(xiàn)象）到本質(zhì)（飛行生物學(xué)差異）,，從整體（核質(zhì)互作網(wǎng)絡(luò)）到局部（潛在基因位點(diǎn)）揭示了草地貪夜蛾在我國快速入侵?jǐn)U散和暴發(fā)成災(zāi)的潛在機(jī)理（圖4）,，為該入侵害蟲的監(jiān)測預(yù)警和遷飛阻截提供了重要的科學(xué)依據(jù)；同時(shí)為解析其他重大外來物種的入侵機(jī)制提供了借鑒和指導(dǎo),。

圖3 | 草地貪夜蛾能量代謝（OXPHOS）相關(guān)基因表達(dá)分析

圖4 | 草地貪夜蛾快速入侵?jǐn)U散的潛在分子機(jī)制

基因組所博士后（現(xiàn)為副研究員）李洪冉為本論文第一作者,，博士生梁馨月，博士后彭炎,、劉振興,，張磊為共同第一作者，蕭玉濤研究員為論文的通訊作者,。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院吳孔明院士給予了重要指導(dǎo),。蘭卡斯特大學(xué)Kenneth Wilson教授、美國橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室等參與了相關(guān)工作,。該研究得到了國家自然科學(xué)基金,、中國農(nóng)科院創(chuàng)新工程和深圳市孔雀團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目資助。

原文鏈接：http://doi.org/10.1002/advs.202305353