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为探究胡萝卜木虱（Trioza apicalis）内影响‘Candidatus Liberibacter solanacearum’（Lso）感染率的细菌，研究其细菌群落和宏基因组，发现新内共生菌且二者能力互补。
# 胡萝卜木虱内共生细菌基因组研究：解锁害虫与病原菌共生奥秘
在农业的大舞台上，小小的胡萝卜木虱（
Trioza apicalis）却能掀起不小的 “波澜”。它是胡萝卜种植中的一大害虫，不仅肆意啃食胡萝卜植株，造成直接的损害，还是植物病原菌‘Candidatus Liberibacter solanacearum’（Lso）的传播媒介。被 Lso 感染的胡萝卜，叶片会出现变色等症状，严重影响胡萝卜的产量和品质，让种植户们头疼不已。
此前，虽然知道胡萝卜木虱与 Lso 之间存在关联，但对于木虱体内的细菌群落以及它们和 Lso 感染率之间的关系，科学家们了解得并不多。而且，大多数木虱物种除了初级内共生菌‘Candidatus Carsonella ruddii’（CCr）外，还含有其他内共生菌，这些内共生菌之间的代谢互补关系以及它们对木虱和病原菌相互作用的影响，也有待进一步研究。为了揭开这些谜团，来自新西兰植物与食品研究所、河北农业大学、莱布尼茨波罗的海研究所等多个机构的研究人员踏上了探索之旅，相关研究成果发表在《Current Microbiology》上。
研究人员为了深入了解胡萝卜木虱内部的细菌世界，采用了多种关键技术方法。首先是 16S rRNA 测序技术，通过对木虱样本的 16S rRNA 基因片段进行扩增和测序，分析细菌群落组成；其次利用宏基因组学方法，从木虱样本的总 DNA 中组装出内共生细菌的基因组；还借助了基因注释和系统发育分析等手段，对这些细菌的基因功能和进化关系进行研究。研究样本来自芬兰西南部的胡萝卜田，为研究提供了丰富的素材。
研究结果
- Lso 感染水平：研究人员从芬兰的胡萝卜田捕获了大量胡萝卜木虱成虫，经过一番检测，发现其中 59% 是雄性，37% 的样本被证实感染了 Lso。通过定量 PCR 技术，精确测定了不同样本中 Lso 的相对滴度，并挑选了不同感染水平的样本进行后续研究。
- 细菌群落组成：对 18 个表面消毒的胡萝卜木虱样本进行 16S rRNA 代谢条形码分析，发现了 108 个操作分类单元（OTUs）和 26 个细菌属，其中大多数属于变形菌门。在细菌群落中，Lso（α 变形菌）相对丰度最高，其次是 CCr、一种新发现的 γ 变形菌内共生菌（Gpe）和肠杆菌科细菌。而且，当把 Lso 的序列排除后，不同 Lso 定植水平的木虱群体中，细菌群落并没有显著差异。通过计算，Gpe 与 CCr 的比例平均为 1.03，在不同 Lso 感染水平的木虱中这一比例也没有显著差异。
- 基因组组装与分析：成功组装出 Lso 单倍型 C、CCr 和 Gpe 的基因组。Lso 单倍型 C 基因组 FINH40 包含 1064 个基因，与之前发表的 FIN114 相比，核心基因组组织存在差异，但都含有与运动和附着相关的基因。CCr 菌株 TA 的基因组非常小，只有 166.761kb，碱基组成富含 AT，虽然基因组小，但仍含有许多参与氨基酸生物合成的基因。Gpe 的基因组大小为 253.171kb，GC 含量为 20.4%，包含了 DNA 复制、转录和翻译所需的 RNA 基因和大部分蛋白质编码基因，但缺乏许多自由生活细菌必需的基因，比如细胞壁肽聚糖合成相关基因，这表明它可能没有细胞壁，以细胞内共生菌的形式存在。
- 系统发育分析：通过平均核苷酸同一性（ANI）和平均氨基酸同一性（AAI）分析，发现 CCr 基因组在不同木虱物种间存在差异，但 CCr 蛋白质编码基因的相关性与木虱宿主的分类学一致。基于 16S rRNA 基因序列比较，CCr TA 与T. magnoliae和T. eugeniae的 CCr 菌株最为接近；Gpe 与T. magnoliae的一种次级内共生菌以及两种虱子的内共生菌序列相似性较高。通过对蛋白质编码基因区域的比较，进一步确定了 Gpe 与其他昆虫内共生菌的亲缘关系。
- 生物合成能力互补：CCr TA 能够进行多种必需氨基酸的从头合成，如组氨酸、缬氨酸、亮氨酸等，但缺乏 DNA 复制、转录和翻译所需的一些关键基因和酶。而 Gpe 虽然几乎没有氨基酸生物合成基因，但含有完整的 DNA 指导的 RNA 聚合酶基因以及核苷酸生物合成、转录和翻译所需的其他因子，还能为 CCr 提供 DNA 聚合酶 III 的亚基等。这表明 CCr TA 和 Gpe 在生物合成能力上具有互补性，二者相互协作，共同满足木虱生存的需求。
研究结论与意义
此次研究发现胡萝卜木虱除了携带必不可少的初级内共生菌 CCr 外，还存在一种此前未知的 γ 变形菌内共生菌 Gpe。基于 16S rRNA 基因序列，Gpe 最接近的亲缘种可能是T. magnoliae的次级内共生菌。CCr 和 Gpe 的基因组分析结果显示，二者在基因组大小缩减和生物合成能力上呈现出互补的特性，这种互补性使得它们对于木虱宿主来说都是不可或缺的。这一研究成果为理解昆虫与内共生菌之间的共生关系提供了新的视角，有助于深入探究木虱传播病原菌的机制，为开发针对胡萝卜木虱及相关病害的防控策略提供了理论依据。未来，对不同地理区域胡萝卜木虱样本的研究，以及对其他Trioza物种内共生菌的遗传研究，有望进一步揭示内共生菌的进化和宿主交换情况，为农业害虫防控开辟新的道路。
