浙大农学院陈学新教授团队领衔在Nature Communications发文揭示寄生蜂避免种内竞争的新机制

时间:2021-09-23浏览:2565

2021916日,浙江大学农业与生物技术学院陈学新教授、黄健华研究员团队联合中科院分子植物科学卓越创新中心詹帅研究员课题组在Nature Communications发表题为“Neofunctionalization of an ancient domain allows parasites to avoid intraspecific competition by manipulating host behaviour”的研究论文,揭示了寄生蜂通过调控寄主行为,从而避免种内竞争的新机制。

寄生蜂是自然界农林害虫种群数量有效控制的纯天然作用因子。因此,寄生蜂广泛应用于农林害虫的绿色防控。寄生蜂不仅种类丰富,而且寄生习性也灵活多样。依据寄生蜂每次在同一寄主体内的产卵数及每头寄主上成功羽化的寄生蜂子代数量,可以把寄生现象分为单寄生(solitary parasitism)(同一头寄主上只育出1头寄生蜂子代)和聚寄生(gregarious parasitism)(同一头寄主体内育出2头或2头以上同种寄生蜂子代)或共寄生(synparasitism)(同一头寄主上有2种或2种以上寄生蜂同时寄生)。营单寄生习性的寄生蜂每次寄生时大都只产一粒卵,且同一寄主上仅有一头寄生蜂子代成功发育并羽化。因此,寄主体内的过寄生superparasitism(同一寄主内寄生蜂子代数量过多)通常会导致种内或种间竞争,是一种寄生资源的浪费现象。有关营单寄生习性的寄生蜂产卵策略以及如何避免种内或种间竞争的机制是国内外生物学家长期关注的科学问题,但其具体机制尚不清楚。

小环腹瘿蜂属Leptopilina寄生蜂是浆果类害虫包括斑翅果蝇的重要寄生蜂。团队在建立了多种小环腹瘿蜂的寄生体系的基础上,发现2种近缘的小环腹瘿蜂,即:布拉迪小环腹瘿蜂L. boulardi和异腹小环腹瘿蜂L. heterotoma具有十分明显的避免同种寄生蜂过寄生的特性。因此,这两种寄生体系是研究营单寄生习性的寄生蜂避免种内竞争及机制的理想模型。团队首先发现在小环腹瘿蜂寄生过程中,往往伴随着寄主逃离食物表面的现象。通过比较逃逸和不逃逸的寄主,发现不逃逸的寄主呈现典型的过寄生现象,即体内常有多个寄生蜂卵,提示寄主的逃逸行为是一种有助于寄生蜂避免种内竞争的策略。进一步发现逃逸的寄主体内均有被寄生蜂产卵和注入毒液蛋白的现象。通过整合基因组、转录组以及毒液蛋白质组等多组学数据分析,并结合RNA干扰等功能筛选技术,在寄生蜂毒液成分中鉴定出一类含RhoGAP结构域的毒液蛋白(命名为EsGAP)。功能研究发现该家族蛋白能引起寄主幼虫中枢神经系统内的活性氧(ROS)水平升高,从而导致寄主出现逃逸行为。研究团队最后还追溯了这类EsGAP基因的起源和演化历程,发现在真核生物中广泛存在的RhoGAP结构域在进化上存在大量独立复制事件,其中的一个分支被小环腹瘿蜂招募并最终特化成毒腺特异表达基因,获得了调控寄主行为的新功能。

至此,本研究发现小环腹瘿蜂调控寄主行为从而避免种内竞争的寄生策略,并在分子水平上阐明了寄生蜂毒液蛋白EsGAP参与调控寄主的逃逸行为,提出了避免过寄生与避免种内竞争的这种寄生策略在推动寄生蜂种群分化和寄主范围扩张等方面的新理论。研究结果有助于深入理解寄生蜂避免过寄生的分子机制,为提升寄生蜂的生物防治潜能提供了理论基础。

近年来,陈学新教授团队在寄生蜂调控害虫机制方面取得了一系列突破性的研究成果。此项寄生蜂调控寄主行为的机制研究,是团队继寄生蜂调控寄主生长发育(Nature Communications, 2018)、调控寄主免疫(Nature Communications, 2021)、调控寄主营养代谢(PLoS Pathogens, 2021)、调控因子整合机制(PLoS Genetics, 2021)等工作后,在寄生蜂调控寄主的分子机制研究方面的又一重要的发现和突破。

本论文第一作者为浙江大学陈佳妮博士后和中科院分子植物科学卓越创新中心房刚奇博士研究生,通讯作者为黄健华研究员、詹帅研究员和陈学新教授。该项研究得到了国家重点研发计划(2017YFD0200400),国家自然科学基金优秀青年科学基金项目(31622048)、重点项目(31630060)、面上项目(3177252231672370)和中科院先导项目(QYZDB-SSW-SMC029XDB27040205)等经费的支持。





论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-25727-9


1. 寄生蜂避免过寄生与种内竞争的模式图