《iMeta》：Domesticated bacterial origin genes regulate homeostasis of the insect gut microbiome and empower adaptation
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以刺吸式口器取食植物韧皮部汁液的刺吸式昆虫（以全球广泛分布的叶蝉为代表）演化出了广泛的适应性性状，并发挥着多种生态功能。然而，它们在自然界中成功的生存策略仍未得到充分理解。为了探究刺吸式昆虫的适应机制，研究人员建立了以同科三种代表性叶蝉物种为核心的研究体系，发
以刺吸式口器取食植物韧皮部汁液的刺吸式昆虫（以全球广泛分布的叶蝉为代表）演化出了广泛的适应性性状，并发挥着多种生态功能。然而，它们在自然界中成功的生存策略仍未得到充分理解。为了探究刺吸式昆虫的适应机制，研究人员建立了以同科三种代表性叶蝉物种为核心的研究体系，发现它们获得了多个源自革兰氏阳性菌基因的胆固醇依赖性溶细胞素（cholesterol-dependent cytolysins, CDCs）。进一步研究表明，这些CDC基因已被驯化并与叶蝉协同演化，最终参与宿主的多种生命活动。具体而言，部分CDCs具有高细胞毒性，在卵浆膜（serosa）中特异性表达，并影响叶蝉捕食者的取食行为；另一些CDCs则无细胞毒性活性，在肠道中特异性表达，并可能通过维持叶蝉肠道微生物组稳态来调控叶蝉的生长与发育。该研究揭示了叶蝉作为理解生物如何借用微生物创新以应对生态挑战并成为农业害虫的范式，为连接获得性基因的基因型与适应性性状的表型提供了全面视角，并展示了供体生物的同源基因如何在受体宿主中发生功能分化，从而使其能够开拓新的生态位。通过解码这些机制，研究人员不仅获得了对进化过程的基础性认识，还为可持续害虫管理开发了有力策略。
本研究以全球广泛分布的刺吸式昆虫——叶蝉（Cicadellidae）为对象，探讨其成功适应自然环境的进化机制。叶蝉是重要的农业害虫和植物病原体传播媒介，但此前对其在复杂生态角色中平衡防御与生命活动的遗传基础知之甚少。研究人员选取同科三种代表性叶蝉物种——稻叶蝉（Recilia dorsalis）、黑尾叶蝉（Nephotettix cincticeps）和黑斑叶蝉（Nephotettix nigropictus），结合基因组学、分子生物学、生物化学、细胞生物学及昆虫行为学方法，揭示了它们通过水平基因转移（horizontal gene transfer, HGT）从革兰氏阳性菌获得了多个胆固醇依赖性溶细胞素（cholesterol-dependent cytolysins, CDCs）基因，并经历了驯化与功能分化。其中，保留毒性功能的CDC在卵浆膜中特异性表达，用于抵御天敌；丧失毒性功能的CDC则在肠道中特异性表达，可能通过维持肠道微生物组稳态来促进宿主生长与发育。该研究为理解水平获得基因的“基因型—表型”关联及受体生物如何利用外来基因拓宽生态位提供了新范式，并为可持续害虫管理提供了潜在靶点。相关成果发表于《iMeta》。
研究人员开展这项研究时，主要采用了以下关键技术方法：首先，利用PacBio长读长、Illumina短读长和Hi-C技术组装了三种叶蝉的染色体水平参考基因组，并进行了比较基因组学与系统发育分析；其次，通过系统发育树构建、相对同义密码子使用度（RSCU）分析和选择压力检测（Ka/Ks及PAML分支位点模型）鉴定了CDC基因的细菌来源和进化特征；随后，利用AlphaFold2预测蛋白质结构，并在昆虫细胞（Sf9）、哺乳动物细胞（Vero、HeLa、HEK293T）、酵母及人工膜（巨型单层囊泡，GUV）中系统评估了CDC的胆固醇结合能力和细胞毒性；通过免疫荧光、免疫金标记和Western blot确定蛋白定位；采用RNA干扰（RNAi）和定量宏基因组测序分析肠道微生物群落变化；最后，利用捕食性天敌瓢虫（Micraspis discolor）开展取食行为与毒性实验。样本来自中国浙江省采集并实验室饲养的三种叶蝉种群。
**叶蝉基因组的结构特征和演化**：研究人员组装了三种叶蝉的染色体水平基因组，发现R. dorsalis基因组（1223 Mb）明显大于两种Nephotettix物种（约780 Mb），主要源于重复序列扩增。系统发育和基因家族演化分析显示，在三种叶蝉的共同祖先中，有8个基因超家族显著扩张，其中包括硫醇激活溶细胞素（CDC）超家族，而该超家族此前从未在其他昆虫基因组中发现，提示其可能通过HGT获得。
**CDC基因从细菌到叶蝉的水平基因转移**：通过系统发育分析，叶蝉CDC蛋白嵌套在革兰氏阳性菌（厚壁菌门和放线菌门）的经典CDC分支内，而FCB组和变形菌门的CDC则位于基部，强有力地支持了细菌到昆虫的HGT事件。RSCU分析显示，叶蝉CDC的密码子使用模式已与宿主基因组趋同，表明其经历了驯化。在322种昆虫和29种叶蝉中，CDC同源物仅存在于Deltocephalinae亚科的16个物种中，且拷贝数变异大（3–14个），多数拷贝为谱系特异性，说明该基因家族在HGT后快速演化。选择压力分析发现部分CDC（尤其RdCDC9）存在正选择信号，且在功能关键位点（如胆固醇识别基序和十一肽区域）出现突变，提示功能分化。
**RdCDCs表现出离体细胞毒性分化**：研究人员选取三个代表性基因RdCDC3、RdCDC6和RdCDC9进行功能验证。微尺度热泳（MST）实验显示RdCDC3与胆固醇强结合（Kd=6.83×10
?6 M），RdCDC6弱结合，RdCDC9完全丧失结合能力。细胞毒性实验表明，RdCDC3对酵母、家蚕幼虫及Vero、HeLa、HEK293T细胞均有强毒性（IC50约1–3 μg/mL），而RdCDC6和RdCDC9几乎无毒。GUV穿孔实验进一步证明RdCDC3以胆固醇依赖方式高效穿孔，且穿孔速率甚至超过细菌来源的穿孔素（PLO），说明其毒性已增强。
**RdCDC3在卵浆膜特异性表达并抑制天敌取食**：组织表达分析显示RdCDC3在雌成虫卵巢和早期卵中高表达，免疫荧光和免疫金标记定位于卵壳的浆膜层。体外喂食实验表明，含有GST-RdCDC3的食物显著缩短瓢虫取食时间，注射RdCDC3蛋白导致瓢虫体重增长下降并最终死亡。喂食怀孕雌性叶蝉（天然表达RdCDC3）的瓢虫体重增长显著低于喂食雄虫的个体。RNAi敲低卵中RdCDC3后，瓢虫取食卵后体重增加，证明RdCDC3在保护叶蝉卵免遭天敌取食中发挥关键作用。
**RdCDC9在肠道特异性表达并维持肠道微生物组稳态**：RdCDC9主要在成虫肠道表达。RNAi沉默RdCDC9显著降低叶蝉体重增长、存活率和后代数量。定量宏基因组测序显示，敲低RdCDC9后，肠道核心微生物组成（以未分类的α-变形菌为主）整体稳定，但特定菌群发生显著变化：Wolbachia属内共生菌丰度下降，而Acinetobacter、Janthinobacterium、Sphingomonas和Mitsuaria等潜在有害菌丰度上升；同时，与效应物分泌系统、免疫调节、黏附等相关的毒力因子基因丰度显著增加，主要来自Pantoea、Acinetobacter和Enterobacter。这些微生物改变可能部分解释宿主适合度的下降，表明RdCDC9通过维持肠道微生物组稳态来影响叶蝉的生长和繁殖。
**讨论与结论**：本研究系统展示了HGT获得的细菌CDC基因在叶蝉中经历不同程度的驯化，形成从保留原始功能（RdCDC3）到完全新功能化（RdCDC9）的连续谱系，中间状态由RdCDC6代表。这种功能分化使叶蝉同时获得卵防御和肠道微生物组调控的双重优势，从而提升整体适合度。结论部分明确指出，叶蝉通过HGT从革兰氏阳性菌获得CDC基因，其保守的毒性拷贝在卵浆膜中表达抵御天敌，非毒性拷贝在肠道中演化出新功能以维持微生物组稳态并促进生长，体现了水平转移基因作为昆虫进化创新重要来源的意义，也为靶向CDC基因和微生物组工程的害虫防治策略提供了理论基础。
