水平转移的NADAR基因增强瓢虫对细菌感染的免疫防御机制

本研究首次证实瓢虫通过水平基因转移（HGT）获得细菌源NADAR基因，并揭示其通过调控肠道免疫应答增强宿主抗感染能力。实验表明敲低CmNADAR1/2会导致瓢虫存活率下降及肠组织坏死，为昆虫免疫进化提供了新视角。

　　

亮点

• 瓢虫NADAR基因通过水平转移源自细菌

• NADAR在瓢虫中形成单系进化支且广泛保留

• CmNADAR1/em>和CmNADAR2受细菌感染显著上调

• 敲低NADAR导致存活率下降和肠道坏死

引言

水平基因转移（HGT）指遗传物质跨物种的非垂直传递（Keeling and Palmer, 2008）。最初认为常见于微生物中，其在塑造细菌和古菌基因组中起关键作用（Husnik and McCutcheon, 2018），随着高通量测序技术的发展，HGT在真核生物中也日益被认可（Da Lage等, 2013; Wybouw等, 2016）。HGT获得的基因可赋予受体新功能，包括增强营养获取（Subramanyam等, 2021; Szabo等, 2017）、改善生长发育（Haimlich等, 2024）和强化免疫防御（Metcalf等, 2014），从而提升生态适应性。

在昆虫中，HGT广泛存在并被认为是进化成功和生态分化的重要驱动力（Li等, 2011, 2022; Wybouw等, 2016; Xing等, 2023）。多项研究表明HGT促进免疫系统创新，使昆虫能适应复杂动态的微生物环境（Dunning Hotopp and Estes, 2014; Li等, 2021b）。例如豌豆蚜Acyrthosiphon pisum通过HGT获得细菌溶菌酶基因，可降解细菌细胞壁增强免疫防御（Metcalf等, 2014）。同样在家蚕Bombyx mori中，真菌来源的BmDODA参与多巴胺代谢并被证明能增强抗菌活性（Wang等, 2019）。在斜纹夜蛾Spodoptera litura中，水平转移的Sl gasmin基因促进血细胞介导的吞噬作用，从而增强免疫应答（Di Lelio等, 2019）。

瓢虫（Coccinellidae）作为分类学上多样化的类群，具有广泛多变的食性（Giorgi等, 2009; Hodek and Honek, 2009; Magro等, 2010; Slipinski, 2013），暴露于多变复杂的微生物环境。通过HGT获得的免疫相关创新可能在其适应性辐射和生态成功中起关键作用。近期发现支持这一观点：在某些瓢虫物种中鉴定出通过HGT获得的细菌来源细胞壁水解酶（cwh）基因，其有助于免疫防御并支持捕食生活方式（Li等, 2021b）。然而，是否其他水平获得基因也促进了瓢虫的免疫适应和多样化仍属未知。

一组有前景的候选基因属于NADAR（“NAD-和ADP-核糖”相关）基因家族，包含两个主要亚家族：YbiA和BC4488（de Souza and Aravind, 2012）。这些基因广泛分布于细菌、真核生物和病毒中，并参与多样生理功能。例如在秀丽隐杆线虫Caenorhabditis elegans中，YbiA同源基因irg-1响应病原菌高度上调，提示其在先天免疫中的作用（Estes等, 2010）。在细菌和植物中，NADAR通过切割反应中间体中的N-糖苷键参与核黄素生物合成（Frelin等, 2015）。在大肠杆菌Escherichia coli中，YbiA涉及群体感应（Inoue等, 2007）。BC4488亚家族成员在细菌中作为毒素-抗毒素系统DarTG的一部分：DarT1毒素使噬菌体DNA中的鸟嘌呤残基ADP-核糖基化，而该修饰被NADAR特异性逆转，从而有助于细菌防御噬菌体感染（Schuller等, 2023）。尽管分布广泛且具有生物学意义，NADAR在昆虫中的酶学功能和生理作用仍 largely unexplored。

为填补这一空白，我们研究了瓢虫NADAR基因的进化起源和免疫相关功能。我们鉴定了多个瓢虫类群中的NADAR基因同源物并重建了其系统发育关系。分析显示昆虫NADAR基因与细菌YbiA同源物紧密聚类，支持其通过HGT起源。在瓢虫C. montrouzieri中的功能实验证明两个NADAR基因CmNADAR1和CmNADAR2在细菌攻击后显著上调。此外，靶向这些基因的RNA干扰（RNAi）结合细菌感染导致存活率降低和肠道坏死增加，强调了它们在瓢虫免疫中的重要作用。

结果

从瓢虫基因组和转录组中共鉴定出101个NADAR基因。PCR扩增和Sanger测序证实NADAR基因存在于瓢虫C. montrouzieri基因组中。更广泛的同源性搜索显示类似序列存在于细菌、古菌、病毒和一些昆虫物种中（表S2）。在top 100非瓢虫科命中中，57个来自厚壁菌门（Bacillota），20个来自假单胞菌门（Pseudomonadota），9个来自古菌，6个来自病毒，5个来自真核生物。

讨论

我们通过保守域分析和系统发育重建强有力支持，首次提供NADAR基因HGT至瓢虫的证据。基于保守NADAR域的存在鉴定了瓢虫基因组中的NADAR基因，并提供令人信服的证据表明这些基因源自单次HGT事件。已鉴定的瓢虫NADAR基因形成良好支持的单系进化支，与单次进化起源一致。此外，BLAST