《Frontiers in Microbiology》：Immunological responses and gut microbial shift of fall armyworm Spodoptera frugiperda challenged with entomopathogens
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草地贪夜蛾（FAW）是一种严重威胁全球玉米生产的鳞翅目害虫。昆虫病原真菌（EPF）和苏云金芽孢杆菌等生物杀虫剂为化学农药提供了更安全的替代方案。本研究探讨了在不同温度条件（15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃和35 ℃）下，金龟子绿僵菌和苏云金芽孢杆菌对草地
草地贪夜蛾（FAW）是一种严重威胁全球玉米生产的鳞翅目害虫。昆虫病原真菌（EPF）和苏云金芽孢杆菌等生物杀虫剂为化学农药提供了更安全的替代方案。本研究探讨了在不同温度条件（15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃和35 ℃）下，金龟子绿僵菌和苏云金芽孢杆菌对草地贪夜蛾死亡率、细胞免疫反应及微生物组的影响。在所有温度条件下，金龟子绿僵菌分离株ICIPE 7和ICIPE 78对草地贪夜蛾幼虫的致死率均高于苏云金芽孢杆菌分离株Bt43和HD263。与对照组相比，金龟子绿僵菌感染导致草地贪夜蛾总血细胞计数（THC）出现更显著的下降，而苏云金芽孢杆菌感染的影响相对较弱。在处理组和对照组的草地贪夜蛾幼虫中，浆细胞和颗粒细胞在差异血细胞计数中均占主导地位。对感染昆虫病原体的草地贪夜蛾进行的微生物组分析显示，微生物组多样性变化较小，其中感染ICIPE 7和Bt43的幼虫在暴露后第0天和第10天的细菌物种丰富度高于对照组。因此，研究发现昆虫病原体感染会损害草地贪夜蛾的免疫系统，且金龟子绿僵菌分离株ICIPE 7和ICIPE 78相较于苏云金芽孢杆菌分离株Bt43和HD263，更适合纳入针对草地贪夜蛾的综合治理（IPM）计划。
**一、研究背景与科学问题**
草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda, J.E. Smith）属鳞翅目夜蛾科，是原产于美洲热带和亚热带地区的重要农业害虫。该害虫于2016年首次在西部和中部非洲被确认，至2017年已扩散至撒哈拉以南非洲几乎所有国家，严重危害谷物作物，尤其是该地区的主粮作物玉米。据估算，草地贪夜蛾每年造成玉米产量损失达410万至1770万吨，经济损失约10.88亿至46.61亿美元。在肯尼亚，2017年和2018年玉米种植者因该虫害分别损失了约37%和33%的作物总量。
为遏制害虫扩散和减少损失，多数玉米种植者严重依赖化学农药，尽管其中部分被归类为高危害农药，对人类健康和环境产生不利影响。此外，五种常用的防治草地贪夜蛾的杀虫剂在施用后残留于土壤中，对非靶标土壤生物造成负面影响。草地贪夜蛾幼虫钻入玉米心叶和穗轴的习性使传统表面喷洒难以奏效，而化学农药的不当使用已导致抗药性种群的出现。因此，迫切需要可持续且环境友好的替代方案，如昆虫病原真菌和昆虫病原细菌等生物防治手段。
尽管金龟子绿僵菌和苏云金芽孢杆菌是优异的害虫治理方案，但关于草地贪夜蛾与这两类病原体相互作用的机制尚未充分阐明，特别是宿主免疫反应和肠道微生物组在感染过程中的变化。本研究旨在填补这一知识空白，揭示病原体感染对草地贪夜蛾的致死效应、细胞免疫反应以及肠道微生物群落结构的影响，并评估温度这一非生物因子对生防效果的作用。
**二、研究结论与意义**
研究结果表明，金龟子绿僵菌分离株ICIPE 7和ICIPE 78在15 ℃至30 ℃温度范围内对草地贪夜蛾二龄幼虫的累积死亡率均显著高于苏云金芽孢杆菌分离株Bt43和HD263。其中，ICIPE 7在25 ℃时表现出最高的杀虫效力，累积死亡率达78.55%。相比之下，苏云金芽孢杆菌分离株在相同条件下引起的幼虫死亡率极低，这可能与该菌株表达的毒素毒力较低或害虫已产生抗性有关。在35 ℃下，所有病原体处理均在第1至2天内导致100%幼虫死亡。总血细胞计数分析显示，金龟子绿僵菌感染引起草地贪夜蛾血细胞数量显著下降，而苏云金芽孢杆菌感染的影响较温和，且不同温度下感染后血细胞数量变化呈现先降后升的动态趋势。差异血细胞计数表明，浆细胞和颗粒细胞是草地贪夜蛾幼虫血淋巴中最丰富的细胞类型，在免疫防御中发挥关键作用。肠道微生物组分析显示，感染病原体的幼虫细菌物种丰富度高于对照组，微生物组多样性变化随温度和病原体种类而异。该研究证实了金龟子绿僵菌分离株ICIPE 7和ICIPE 78作为防治草地贪夜蛾的生物农药候选菌株具有良好潜力，且温度对生物防治效果具有显著影响，为将其纳入综合治理计划提供了科学依据。
**三、关键技术与方法**
本研究采用了多种关键技术手段。昆虫病原真菌和细菌分离株分别来自国际昆虫生理生态学中心节肢动物病理学单位的种质资源库。实验所用草地贪夜蛾二龄幼虫取自该中心动物饲养与检疫单位，初始种群采自肯尼亚西亚亚县和霍马贝县的玉米田。研究人员通过表面喷洒法将病原体接种于玉米叶片饲喂幼虫，在5个温度梯度下开展生物测定，每日记录死亡率持续10天。免疫反应评估通过血淋巴采集、总血细胞计数和吉姆萨染色后的差异血细胞计数实现。微生物组分析选择感染ICIPE 7和Bt43的幼虫进行16SrRNA宏条形码测序，使用牛津纳米孔技术公司的MinION MK1C平台，通过EPI2ME软件进行物种注释和分类学分析。统计分析采用广义线性模型和β回归等方法。
**四、主要研究结果**
*（一）温度对病原体诱导的草地贪夜蛾死亡率的影响*
研究人员在10天内每日收集的死亡率数据显示，感染金龟子绿僵菌ICIPE 7的草地贪夜蛾幼虫在15 ℃、20 ℃、25 ℃和30 ℃下均持续表现出最高的累积死亡率（分别为41.68%、35.05%、78.55%和63.72%），显著高于其他处理组。ICIPE 78的致死率居第二位，而苏云金芽孢杆菌处理组在各温度下死亡率极低，仅在部分天数出现零星死亡。统计分析确认温度和病原体处理均对累积死亡率有显著影响。
*（二）细胞免疫反应*
在15 ℃至30 ℃温度范围内，金龟子绿僵菌感染的草地贪夜蛾幼虫总血细胞计数在感染后第0至1天出现显著下降，而苏云金芽孢杆菌感染引起的下降幅度较小。在不同温度条件下，金龟子绿僵菌处理组的血细胞总数恢复至对照水平的时间有所不同，部分温度下第10天仍低于对照。差异血细胞计数鉴定出六种血细胞类型，其中浆细胞和颗粒细胞占循环血细胞的45%至80%，是最主要的细胞类型，在感染后数量发生动态变化，而原血细胞、类绛细胞、球形细胞和脂血细胞数量较少。
*（三）肠道微生物组分析*
微生物组分析显示，厚壁菌门和变形菌门是草地贪夜蛾幼虫肠道中最丰富的细菌门，属水平上克雷伯氏菌属、沙雷氏菌属、肠球菌属、沃尔巴克氏体属和埃希氏菌属占优势。在15 ℃和20 ℃下，感染Bt43的幼虫细菌物种丰度高于感染ICIPE 7的幼虫，而在25 ℃下则相反。感染两种病原体的幼虫物种丰富度在所有温度下均高于对照组。β多样性分析显示，不同温度处理的幼虫肠道微生物群落形成三个明显聚类，且各处理组间存在较高的群落间多样性。
**五、讨论与结论**
讨论部分指出，金龟子绿僵菌的杀虫效果与其侵染机制密切相关，包括孢子附着、萌发、穿透体壁和定殖血腔等步骤，这些过程均受温度影响。苏云金芽孢杆菌的低致死率可能归因于菌株毒素类型、害虫抗性发展以及低温下幼虫取食量减少等因素。血细胞计数的下降可能与真菌释放的细胞毒性代谢物和结节形成有关，而随后的细胞数量回升则反映宿主免疫系统的应答。肠道微生物在宿主抵抗病原感染中可能发挥重要作用。研究结论明确指出，金龟子绿僵菌分离株ICIPE 7和ICIPE 78可作为草地贪夜蛾综合治理中的强效候选菌株，而将苏云金芽孢杆菌有效纳入治理计划需进一步筛选具有高效Cry和Vip原毒素的菌株并评估其最适温度下的剂量反应。
