唾液脂蛋白D（PuApoD311）在由Tephritid茎瘤蝇（Procecidochares utilis）诱导的虫瘿形成中的作用

《Insect Biochemistry and Molecular Biology》：Involvement of Salivary Apolipoprotein D, PuApoD311, in Gall Formation Induced by the Tephritid Stem Gall Fly, Procecidochares utilis

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　　这项研究聚焦于一种名为*Procecidochares utilis*的茎瘤蝇，它作为生物防治手段对入侵植物*Eupatorium adenophorum*（也称为腺梗草）具有显著的控制效果。通过幼虫唾液分泌物诱导形成瘤状结构，从而抑制该植物的生长。尽管这一生物防治作用已被广泛认可，但其背后的遗传机制仍不明确。为了填补这一知识空白，研究团队成功构建了*P. utilis*的染色体级基因组，总大小为467.64 Mb，具有74.29 Mb的scaffold N50值，被组织为六个假染色体。这一基因组的构建不仅为理解该物种的生物学特性提供了基础，也为进一步研究其在植物诱导瘤状结构中的分子机制打开了大门。

植物瘤状结构是由多种生物引发的异常组织或器官，通常伴随着细胞大小的增加或细胞分裂的异常。这些结构在植物中广泛存在，是昆虫、线虫、真菌、细菌和病毒等生物与植物互作的结果。昆虫是引发植物瘤状结构的主要因素之一，据估计，这类昆虫有13,000到211,000个物种。昆虫引发的瘤状结构通常出现在植物的叶片、茎、花蕾、花朵、果实或根部。这些结构不仅具有独特的形态，还为昆虫提供了庇护和营养。然而，大多数瘤状结构会对宿主植物造成负面影响，干扰其正常生长，破坏生殖结构，并消耗营养，可能导致枝条脱落、果实脱落或植物死亡。因此，理解这些昆虫如何通过其唾液蛋白调控植物的生长和发育，对于开发新的生物防治策略具有重要意义。

在这一背景下，研究团队通过整合Oxford Nanopore技术和体内染色质构象捕获（Hi-C）测序方法，成功构建了*P. utilis*的染色体级基因组。基因组的组装和注释为后续研究提供了重要的资源。通过比较基因组分析，研究团队发现*P. utilis*基因组中存在显著的*apolipoprotein D*（*ApoD*）基因扩展现象，这是在形成瘤状结构的昆虫中首次发现的特征。此外，通过唾液腺转录组学分析，研究人员鉴定了120个可能的分泌蛋白，其中*P. utilis*的*ApoD*基因扩展显示出主导的表达模式。在*P. utilis*的基因组中，共鉴定出29个*ApoD*基因，其中24个形成了一个物种特异性的簇，主要在幼虫和唾液腺中表达。值得注意的是，其中21个基因与唾液腺分泌有关。这一发现提示*ApoD*基因可能在瘤状结构的形成过程中扮演关键角色。

为了进一步验证*ApoD*基因在瘤状结构形成中的作用，研究团队选择了其中一个特定的*ApoD*基因——*PuApoD311*，并通过杆状病毒系统在Sf9细胞中成功进行了重组表达。随后，将重组的*PuApoD311*蛋白注射到*E. adenophorum*植物中，观察到形成了类似瘤状结构的“瘤状类结构”，并表现出类似侧根增生的特征。同时，植物体内的玉米素（zeatin）水平显著升高，这表明*PuApoD311*蛋白在瘤状结构的形成中具有重要作用。玉米素是一种植物生长素，通常与细胞分裂和组织生长相关，其水平的升高可能反映了植物对*P. utilis*幼虫攻击的反应，以及瘤状结构形成的生理基础。

*P. utilis*作为一种重要的自然天敌，已被多个国家用于控制*E. adenophorum*的扩散。在中国，自1984年起，该物种就被用于生物防治，以减少腺梗草对生态环境和农业生产的危害。*P. utilis*的雌性成虫会在腺梗草茎的顶端产卵，幼虫孵化后向下迁移至年轻叶片的基部，并利用其口器钩刺破表皮，随后进入茎部，有时甚至直接穿过顶端分生组织，最终被植物组织包围。在这一过程中，幼虫的表皮与植物组织紧密接触，但并不形成明显的通道。当幼虫穿透约6-7毫米的植物组织后，会停止移动并开始摄食周围的薄壁组织，从而引发瘤状结构的形成。这一反应表明，幼虫的分泌物在瘤状结构的形成中起着关键作用，而唾液蛋白可能是其中的核心分子。

研究团队进一步探讨了*ApoD*基因在*P. utilis*唾液蛋白进化中的作用。通过比较基因组分析，他们发现*ApoD*基因在*P. utilis*中显著扩展，这一现象可能与该物种的瘤状结构形成能力有关。在其他形成瘤状结构的昆虫中，如*Hessian fly*（麦二叉蚜）和*root gall-forming Daktulosphaira vitifoliae*（葡萄根瘤蚜），研究人员也发现*ApoD*基因可能在诱导瘤状结构的过程中发挥重要作用。例如，在*Hessian fly*中，研究人员鉴定了四种候选的无毒效应子（vH6、vH9、vH13和vH14），其中vH13编码的蛋白被证实具有无毒效应，而非直接诱导瘤状结构。而在*root gall-forming D. vitifoliae*中，研究发现唾液蛋白中缺乏跨膜螺旋（TMHMMs）和/或糖基磷脂酰肌醇锚（GPI-anchors）的蛋白被归类为效应子蛋白（DvEffectors）。这些效应子蛋白可能在调控宿主植物与昆虫之间的相容性关系中起重要作用。此外，研究还发现*D. vitifoliae*中存在一个名为BICYCLE的新型分泌蛋白家族，这些蛋白在诱导瘤状结构的世代中表现出最高的表达水平，提示其可能在调控瘤状结构发育中具有潜在功能。

然而，尽管已经鉴定出多种效应子蛋白，目前尚无直接证据表明这些候选蛋白能够诱导瘤状结构的形成，除了CAP肽之外。CAP肽是来自*horned gall aphid S. chinensis*的一种富含半胱氨酸的分泌蛋白，能够与生长素和细胞分裂素协同作用，诱导不同植物物种的瘤状结构形成。这一发现为理解昆虫如何通过其分泌蛋白调控植物的生长提供了新的视角。此外，*S. chinensis*的唾液蛋白中富含具有DNA、蛋白质、ATP和铁结合能力的蛋白，这些蛋白可能在调控植物细胞活动和信号传导中发挥关键作用。

本研究通过构建*P. utilis*的染色体级基因组，揭示了其在瘤状结构形成中的遗传基础。这一基因组的组装和注释不仅为研究该物种的生物学特性提供了重要资源，也为探索其在植物诱导瘤状结构中的分子机制奠定了基础。通过比较基因组分析，研究人员发现*ApoD*基因在*P. utilis*中显著扩展，这一现象可能与该物种的瘤状结构形成能力密切相关。此外，研究还鉴定了大量可能在调控宿主防御机制中起作用的唾液腺偏倚基因，这些基因的表达可能影响植物对昆虫攻击的反应。这些发现不仅有助于理解*P. utilis*的寄生适应机制，也为进一步研究该物种的唾液蛋白进化提供了线索。

研究团队的成果表明，*P. utilis*的唾液蛋白可能在瘤状结构的形成过程中起关键作用。通过重组表达*PuApoD311*蛋白并注射到*E. adenophorum*植物中，研究人员观察到瘤状结构的形成和玉米素水平的升高，这提示*ApoD*蛋白可能通过调控植物的生长信号通路，影响细胞分裂和组织生长，从而诱导瘤状结构的形成。这一机制的揭示对于开发新的生物防治策略具有重要意义，同时也为理解昆虫与植物之间的复杂互作关系提供了新的视角。

此外，本研究还为后续研究提供了重要的参考。通过整合多种测序技术，研究团队成功构建了高质量的*P. utilis*基因组，这不仅有助于解析其基因组结构和功能，也为研究其他形成瘤状结构的昆虫提供了方法上的借鉴。基因组数据的公开和共享，使得其他研究人员可以利用这些信息进行更深入的探索，包括比较不同物种之间的基因组差异，分析关键基因的功能，以及探索唾液蛋白在植物防御机制中的作用。这些研究将有助于揭示昆虫如何通过其分泌蛋白调控植物的生长和发育，为生物防治技术的发展提供理论支持和实践指导。

从生态学角度来看，*E. adenophorum*作为一种全球性入侵植物，对生态环境和农业生产造成了严重威胁。通过引入*P. utilis*作为生物防治手段，可以有效控制其扩散，减少对环境和经济的影响。然而，为了更有效地利用这一生物防治策略，需要深入理解*P. utilis*的生物学特性和其与宿主植物之间的互作机制。本研究通过构建*P. utilis*的基因组，提供了这一理解的基础。此外，研究还揭示了*ApoD*基因在瘤状结构形成中的重要性，这可能为开发针对*E. adenophorum*的新型生物防治方法提供新的思路。

在农业应用方面，*P. utilis*的唾液蛋白可能成为开发新型生物农药的重要候选分子。通过鉴定和功能分析这些唾液蛋白，研究人员可以探索其在植物生长调控中的具体作用，从而设计出能够有效抑制入侵植物生长的生物制剂。这不仅有助于提高生物防治的效果，还可能减少对化学农药的依赖，降低环境污染和生态风险。此外，研究还可能揭示昆虫与植物之间的互作机制，为开发新的作物保护策略提供理论支持。

在科学研究领域，本研究的成果为昆虫唾液蛋白的进化研究提供了新的方向。通过比较不同形成瘤状结构的昆虫之间的基因组差异，研究人员可以探讨这些昆虫如何适应不同的宿主植物，并在进化过程中形成特定的基因扩展。这不仅有助于理解昆虫的寄生适应机制，也为研究其他昆虫与植物之间的互作关系提供了参考。此外，研究还可能揭示某些基因在昆虫与植物互作中的关键作用，为未来的研究提供新的靶点。

综上所述，本研究通过构建*P. utilis*的染色体级基因组，揭示了其在瘤状结构形成中的遗传基础。这一成果不仅为理解该物种的生物学特性提供了重要资源，也为探索其在植物诱导瘤状结构中的分子机制奠定了基础。通过比较基因组分析和唾液腺转录组学研究，研究人员发现*ApoD*基因在*P. utilis*中显著扩展，这一现象可能与该物种的瘤状结构形成能力密切相关。此外，研究还鉴定了大量可能在调控宿主防御机制中起作用的唾液腺偏倚基因，这些基因的表达可能影响植物对昆虫攻击的反应。这些发现不仅有助于理解*P. utilis*的寄生适应机制，也为进一步研究该物种的唾液蛋白进化提供了线索。通过重组表达*PuApoD311*蛋白并注射到*E. adenophorum*植物中，研究人员观察到瘤状结构的形成和玉米素水平的升高，这提示*ApoD*蛋白可能通过调控植物的生长信号通路，影响细胞分裂和组织生长，从而诱导瘤状结构的形成。这一机制的揭示对于开发新的生物防治策略具有重要意义，同时也为理解昆虫与植物之间的复杂互作关系提供了新的视角。