自身基因或共生菌协助？稻红瓢虫取食花粉的机制研究取得新进展

庞虹摄，2007年8月，江西九连山

稻红瓢虫Micraspis discolor是亚洲地区稻田中常见的天敌瓢虫，捕食稻蚜、介壳虫、叶蝉、飞虱、蓟马、鳞翅目幼虫等多种水稻害虫，同时也会取食花粉。与其他常见瓢虫相比，稻红瓢虫是能够在花粉作为单一食物的情况下稳定发育和繁殖的少数捕食性瓢虫之一。这种花粉食性对维持稻红瓢虫的种群有着重要的作用，但同时也带来了对作物的潜在损害。对瓢虫花粉食性机制进行深入了解有助于培养对作物生长安全的品系。为了探究稻红瓢虫花粉食性的机制，中山大学生态学院庞虹教授团队利用转录组和微生物组数据对稻红瓢虫进行了研究。

过去的研究表明，花粉普遍存在的外壁和内壁结构是昆虫取食花粉最大的阻碍，而相比有萌发孔的外壁，主要由纤维素组成的花粉内壁更可能成为昆虫吸收花粉营养的屏障。植食性昆虫中普遍存在内源性的纤维素酶（如象甲、叶甲和天牛）或降解纤维素的肠道共生菌（如白蚁）应对植物中的纤维素，或两种策略兼具（如蜜蜂）。以此为参考，本研究假设稻红瓢虫取食花粉的机制可能与自身的纤维素酶基因或体内的共生菌有关，分析比较了稻红瓢虫取食花粉和蚜虫、粉蚧、蛾卵等三种昆虫猎物时的转录组和微生物组，识别出取食花粉时表达上调的基因和丰度上升的共生菌，并鉴定了稻红瓢虫基因组中可能有纤维素酶功能的基因，从而探究了稻红瓢虫体内可能存在的纤维素酶和纤维素降解菌（图1）。

图1 稻红瓢虫花粉食性机制的研究思路

在转录组的比较中，不同食物处理的稻红瓢虫的差异表达基因主要富集在营养和毒素代谢的通路上，且取食花粉时的上调基因主要包括糖类代谢基因GH20以及脂质代谢、毒素代谢的数个基因。但这些上调基因中并未发现有纤维素酶功能的基因。同时，本研究参考其他植食甲虫中发现的纤维素酶对稻红瓢虫基因组中的基因进行鉴定，仅发现了编码GH1的基因可能有编码纤维素酶的功能，但GH1基因并未在稻红瓢虫取食花粉时上调（图2）。这些结果说明，相比消化花粉内壁的纤维素，稻红瓢虫的自身基因作用似乎更侧重于处理花粉中的营养成分。

图2 稻红瓢虫在取食花粉或三种昆虫猎物时的基因表达上下调情况

另一方面，在微生物组16S扩增子数据的比较中，稻红瓢虫取食花粉时有数种曾报道存在于植食性昆虫或验证有纤维素降解能力的细菌丰度上升（图3）。其中，差异最大、丰度最高的Siphonobacter aquaeclarae菌曾报道存在于两种植食性甲虫体内并拥有降解纤维素的能力，且与本研究中菌株的序列完全一致。这种细菌也是首次在瓢虫体内被发现。根据转录组和微生物组结果提供的证据可以推测，相比瓢虫自身的功能基因作用，以S. aquaeclarae为代表的这些丰度上升的共生菌更可能在稻红瓢虫消化花粉时发挥降解花粉内壁纤维素的作用。但是，这些共生菌对花粉内壁纤维素的降解功能以及对稻红瓢虫取食花粉的必要性还没有得到更深入的验证。这些纤维素降解共生菌是否就是稻红瓢虫花粉食性的真正奥秘？这还需要进一步的实验探究。

图3 稻红瓢虫在取食花粉时丰度显著上升的共生菌

本研究的结果以“Is pollinivory in the omnivorous ladybird beetle Micraspis discolor (Coleoptera: Coccinellidae) symbiosis-dependent?”为题在国际学术期刊Biological Control上发表。博士生黄羽豪为该论文的第一作者，特聘副研究员李浩森为通讯作者，瓢虫生态与进化实验室的其他成员以及比利时根特大学的科研人员亦对研究工作作出了贡献。本研究由广州市科技计划项目、国家自然科学基金和广东省自然科学基金资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.biocontrol.2022.104867

通讯员：黄羽豪