白僵菌素产生与生长之间的进化权衡定义了白僵菌属中分化的毒力策略

《Pest Management Science》：Evolutionary trade-offs between beauvericin production and growth define divergent virulence strategies in Beauveria

　　

背景：病原菌的毒力常归因于毒素的产生，然而毒素的代谢成本高昂，且未必能普遍增强适应度。这些性状如何在自然群体中得以维持尚不明确。研究人员在此证明平衡选择维持了昆虫病原真菌白僵菌属（Beauveria）中替代性的毒力策略。结果：一株高产白僵菌素（beauvericin, BEA）的菌株（Beauveria amorpha）在昆虫感染期间积累毒素，并在生理相关浓度下抑制革兰氏阳性细菌。相反，一株低产BEA的菌株（Beauveria bassiana）表现出加速生长、血淋巴中芽生孢子大量增殖以及更早的尸僵产孢。尽管毒素产量差异巨大，两株菌株却达到了相当的宿主死亡率，表明BEA并非致病性的唯一决定因素。相反，毒力通过不同的策略实现：一种毒素策略，以次级代谢物投资和抗菌活性为特征；以及一种生长策略，以宿主体内快速增殖和通过生物量积累进行竞争排斥为特征。在大豆内生定殖期间未检测到BEA，表明该表达具有生态背景依赖性。系统发育和转录分析揭示了BEA相关调控通路的分化，包括高产BEA谱系中全局调控因子LaeA的高表达，提示代谢投资的进化分区。结论：这些发现揭示了毒素产生与生长之间的进化权衡，产生了功能等效但机制不同的致病结果。更广泛地说，研究人员的成果提供了实证证据，表明平衡选择可以在真菌谱系内维持替代性的毒力策略，为理解宿主-病原菌系统中昂贵次级代谢物的持久性提供了一个通用框架。? 2026 The Author(s). Pest Management Science published by John Wiley & Sons Ltd on behalf of Society of Chemical Industry.

**论文解读：白僵菌素产生与生长之间的进化权衡定义了白僵菌属中分化的毒力策略**

**研究背景与问题**

昆虫病原真菌如白僵菌属（*Beauveria*）在自然界中扮演双重角色：既是昆虫的致命病原体，也可作为植物内生真菌。它们能产生多种次级代谢物，其中白僵菌素（beauvericin, BEA）是一种环状六缩酚酸肽类毒素，因其对昆虫、哺乳动物细胞和细菌具有广谱细胞毒性而备受关注。然而，BEA在真菌生活史中的生态角色仍未明确。尽管许多研究将BEA与昆虫毒力直接关联，但毒素的合成需要消耗大量能量，可能对真菌生长造成负担。一个核心问题是：在自然群体中，这种高成本的性状为何能够维持？是否存在替代性的毒力策略？针对这些疑问，研究人员开展了本研究。

**研究目的与结论**

研究人员旨在探究BEA是否在植物定殖过程中产生，以及体内BEA产量差异是否能预测昆虫毒力。结果显示，BEA在大豆内生定殖中未检测到，而在昆虫感染期间，不同白僵菌菌株的BEA产量差异显著。令人意外的是，低产BEA菌株（*B. bassiana* Bb0062）在蜡螟幼虫（*Galleria mellonella*）中表现出更强的毒力，而在黄粉虫（*Tenebrio molitor*）中与高产BEA菌株（*B. amorpha* UFSM-1）毒力相当。低产菌株在血腔中作为芽生孢子更快增殖，并更早使宿主尸僵并产孢。这表明高毒素产量并非必然增强毒力，而是存在两种不同的感染策略：一种侧重于毒素生产（毒素策略），另一种侧重于快速生长和资源竞争（生长策略）。这种权衡由平衡选择维持，揭示了代谢投资的分化。相关论文发表于《Pest Management Science》。

**关键技术方法**

研究人员采用了多种关键技术：（1）液相色谱-质谱联用（LC–MS）测定液体培养及感染昆虫中BEA产量；（2）通过表面接种和注射法进行昆虫生物测定，计算半数致死时间（LT₅₀）和半数致死剂量（LD₅₀）；（3）显微观察血淋巴中芽生孢子与菌丝体数量；（4）系统发育分析基于延伸因子EF1-α和BEA生物合成基因（*Bbbeas*）序列（样本来源：*B. amorpha* UFSM-1分离自巴西的臭蝽 *Euschistus heros*，*B. bassiana* Bb0062分离自中国的菜粉蝶 *Pieris rapae* 幼虫尸骸，其他菌株来自ATCC和ARSEF保藏中心）；（5）逆转录定量PCR（RT-qPCR）检测BEA相关调控基因表达。

**研究结果**

*3.1 液体培养基中白僵菌素的产生*：在酵母蛋白胨葡萄糖（YPD）液体培养基中，*B. amorpha* UFSM-1在第4天显著产生大量BEA（3.5150±0.9923 ppm），而*B. bassiana* Bb0062仅产生0.0775±0.0269 ppm（P<0.05）；第7天，Bb0062中BEA未检出，UFSM-1仍达1.7400±0.2417 ppm。其他*B. bassiana*菌株产量同样显著低于UFSM-1。

*3.2 内生定殖*：所有四株白僵菌均能成功内生定殖大豆叶片，但在植物组织中未检测到BEA（≤15.8 ppb），表明毒素产生具有生态背景依赖性。

*3.3 昆虫感染期间的白僵菌素产生*：在两种昆虫（蜡螟和黄粉虫）中，通过表面接种或注射感染，UFSM-1在各处理组中均显著产生更多BEA。例如，表面接种蜡螟第5天，UFSM-1尸体内BEA为0.8631±0.2374 ppm，而Bb0062仅0.1086±0.0230 ppm；第8天差异更为显著（12.8600 vs 0.1656 ppm，P<0.0001）。注射感染后第8天也观察到类似趋势。

*3.4 菌落形态与生长速率*：在PDA和50% YPD液体培养基中，Bb0062生长显著快于UFSM-1。培养12天后，Bb0062菌落直径33.08±0.36 mm，UFSM-1为21.23±0.15 mm（P<0.0001）；Bb0062产孢量也显著更高。液体培养基中，Bb0062在36h、48h和60h的光密度（OD₄₀₅）均显著高于UFSM-1。

*3.5 昆虫致病性*：对黄粉虫，两菌株表面接种和注射的存活曲线及LT₅₀均无显著差异。对蜡螟，注射感染亦无差异；但表面接种时，Bb0062（LT₅₀ 3.468±0.078）显著毒力强于UFSM-1（3.706±0.012，P<0.05）。此外，Bb0062感染蜡螟后更早出现菌丝生长（第5天vs第8天），且第3天血淋巴中芽生孢子数量显著更多（22.46×10⁶ vs 7.29×10⁶个/mL，P<0.01）。

*3.6 白僵菌素对蜡螟幼虫的杀虫活性*：注射10 μg和30 μg BEA显著提高蜡螟死亡率（与对照组相比P<0.01），而0.1 μg和1.0 μg无显著效果。第4天的LD₅₀为8.28 μg（最小3.47 μg，最大19.77 μg）。

*3.7 纯白僵菌素对细菌的抑制作用*：BEA在生理相关浓度下抑制革兰氏阳性菌（枯草芽孢杆菌 *Bacillus subtilis*、玫瑰色考克菌 *Kosuria rosea*、巨大芽孢杆菌 *Bacillus megaterium*、嗜根考克菌 *Kocuria rhizophila*），但对测试的革兰氏阴性菌（根癌农杆菌 *Agrobacterium tumifaciens*、粪产碱菌 *Alcaligenes faecalis*、大肠杆菌 *Escherichia coli*、恶臭假单胞菌 *Pseudomonas putida*）无抑制。

*3.8 白僵菌属系统发育分析*：基于EF1-α和BEA生物合成基因（*Bbbeas*）序列，UFSM-1聚类于*B. amorpha*，其他三株为*B. bassiana*。白僵菌的*Bbbeas*与镰刀菌属（*Fusarium*）和木霉菌属（*Trichoderma*）形成独立分支。

*3.9 白僵菌素产生相关基因的转录表达*：尽管两菌株均含有*Bbbeas*基因，但RT-qPCR显示其表达水平无差异。然而，全局次级代谢调控因子*BbLaeA*在UFSM-1中的表达显著高于Bb0062。其他细胞壁完整性、MAP激酶通路及G蛋白信号调控基因表达无显著差异。

**讨论与结论**

研究人员讨论指出，白僵菌至少采用两种进化上不同的毒力策略：毒素策略和生长策略。毒素策略以高BEA产量和抗菌活性为特征，有助于在昆虫尸体内竞争排斥腐生细菌；生长策略则以快速增殖和早期尸僵为特征，通过耗尽宿主资源导致死亡。两种策略均能实现相当的致死率，表明毒力并非单一由毒素决定。BEA在植物中不产生，暗示其表达受宿主环境严格调控。平衡选择解释了为何高成本的毒素性状得以维持：在微生物竞争激烈或昆虫宿主角质层较软时，毒素可能提供优势；而在快速生长更有利的情况下，选择则偏向生长策略。这一机制与细菌中毒素-生长权衡模型以及曲霉菌中黄曲霉素的平衡选择相似。研究人员最终得出结论：白僵菌属中至少存在两种不同的毒力策略，即毒素策略和生长策略。这些策略的持续存在表明昆虫病原真菌的毒力因子受背景依赖性选择塑造，其中代谢成本、微生物竞争和宿主生态共同决定了适应价值。更广泛地说，该工作揭示了次级代谢的调控如何介导病原真菌内的进化分化，产生替代但等效的宿主致死途径。