昆虫-真菌共生体系中青霉菌铁获取机制及其对共生适应性的影响

本研究揭示了互惠共生真菌Penicillium herquei（P. herquei）通过上调细胞色素P450（CYP450）和铁载体相关基因，显著增强铁元素吸收能力，为共生象甲宿主提供高生物利用度铁营养的分子机制。通过比较转录组学和铁含量测定，发现农业型菌株（WFS）较土壤自由型菌株（SFS）具有更高的铁积累能力，为昆虫-真菌互作体系中的微量元素代谢研究提供了新视角。

　　

摘要

互惠性昆虫-真菌共生关系是生态系统动态的核心驱动力。本研究聚焦于青霉菌（Penicillium herquei）与象甲（Euops chinensis）的共生体系，发现农业型菌株（WFS）通过独特的铁获取策略，为宿主提供关键微量元素。比较转录组分析显示，WFS中4,357个基因显著上调，其中氧化还原酶活性、铁/血红素结合相关基因富集明显，尤其是细胞色素P450（CYP450）超家族。铁载体合成与转运基因的差异表达进一步证实了WFS的铁吸收优势。ICP检测显示WFS铁含量显著高于SFS及宿主植物日本虎杖（Reynoutria japonica）叶片，揭示了真菌在共生营养循环中的核心作用。

引言

植食性昆虫与真菌的互惠共生广泛存在于自然界，如蚂蚁、白蚁等通过"农业行为"培育真菌获取营养。象甲属（Euops）昆虫通过卷叶行为培育青霉菌，其中P. herquei被证实是E. chinensis幼虫的主要营养来源，占其饮食组分的62.6-79.7%。前期研究发现真菌菌丝可提供麦角固醇、氨基酸和B族维生素，但对微量元素（尤其是铁）的供给机制尚未阐明。铁作为关键辅因子，在植物中以难吸收的非血红素铁形式存在，而真菌可通过分泌铁载体高效螯合环境铁。

材料与方法

实验采用WFS（Ph15277）和SFS（Ph5687）两株基因型高度一致的P. herquei菌株。通过PDA和虎杖叶片培养基培养后，进行RNA-seq测序（Illumina NovaSeq 6000平台）。使用DESeq2进行差异表达分析，GO和KEGG富集揭示功能通路。qRT-PCR验证了8个靶基因（4个铁结合相关、4个铁载体相关）的表达差异。采用HNO₃消解-ICP法测定菌丝体和植物叶片铁含量。

结果

转录组数据显示WFS特异性高表达1,512个基因，包括75个铁结合和64个血红素结合基因，其中70%的CYP450基因显著上调。铁载体合成酶（如三乙酰镰刀菌素C酯酶）和转运蛋白基因在WFS中表达量提升3-5倍（P<0.001）。铁含量测定显示：WFS（218.7 μg/g）> SFS（152.3 μg/g）> 虎杖叶片（89.5 μg/g），证实真菌菌丝是更优的铁源。

讨论

本研究首次揭示昆虫共生真菌通过"铁营养强化"策略促进共生适应性的机制。CYP450的广泛上调不仅参与次级代谢，其血红素辅基可能作为铁储存库。WFS分泌的Pc蛋白（研究中未发表数据）可缓解肠道铁应激，协同调控宿主微生物组平衡。这种"高吸收-高供给-精准调控"的铁代谢模式，为理解共生系统协同进化提供了新范式。

结论

P. herquei通过进化出增强型铁获取系统，突破植物铁生物利用度限制，成为象甲关键的微量元素供给者。该发现拓展了昆虫-真菌互惠理论框架，为农业害虫防控和微生物资源开发提供了新思路。