客户成果 | 多组学关联揭示农业害虫与内共生菌互作机制，助力发现农业害虫治理新途径

白背飞虱（Sogatella furcifera）和褐飞虱（Nilaparvata lugens）是两种重要的农业害虫。害虫中的内共生菌（如Cardinium和Wolbachia）可以在宿主内诱导多种生殖调控从而影响宿主细菌微生物群和生长繁殖，其中细胞质不相容性（CI）是最常见的操作之一。然而，Wolbachia诱导的CI（wFur）和非CI（wLug）感染宿主机制、多种内共生菌联合感染宿主的作用机制尚不清楚。

近日，来自南京农业大学的洪晓月教授团队先后于Applied and Environmental Microbiology和mSystems上发表了题为“Two newly introduced Wolbachia endosymbionts induce cell host differences in competitiveness and metabolic responses”和“Endosymbionts reduce microbiome diversity and modify host metabolism and fecundity in the planthopper Sogatella furcifera”的文章。

这两篇文章分别采用代谢组+转录组和代谢组+微生物组揭示了Wolbachia诱导的CI和非CI感染宿主的机制，以及Cardinium和Woldbachia联合感染降低宿主繁殖力的作用机制。

研究发现宿主细胞竞争力可能会受到细胞生长速率和Wolbachia扩散率的影响，还筛选出了一些导致竞争力差异的关键基因和代谢物。另外，Cardinium和Woldbachia可能是通过操控宿主其他组织中微生物群来影响宿主代谢和降低宿主繁殖力的。

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01

两种Wolbachia株系诱导宿主细胞在竞争力和代谢反应方面的差异^[1]

实验设计（代谢组+转录组）

主要研究成果

1. 不同的生长速率可能导致两个Wolbachia感染品系的竞争力差异

在混合培养物中，WFI细胞被WLI细胞完全取代，这表明WLI细胞系具有更强的竞争力。两种Woldbachia株系的感染降低了细胞生长速率，但WLI的细胞生长速率高于WFI，不同的细胞生长速率可能导致两个感染品系的竞争力差异。

2. 两个Wolbachia感染品系之间差异表达基因和代谢物筛选

研究人员将感染品系与未感染品系进行转录组测序，共发现3,197个相互差异表达基因（DEG）；KEGG富集分析发现，上调DEG与翻译和衰老等过程有关，而下调DEG主要与细胞生长和死亡、氨基酸代谢等有关。

接着，研究人员对三个细胞系进行非靶向代谢组学分析，在正、负离子模式下分别检测到1,665和426个离子峰，鉴定到753和213种化合物。将具有更多已鉴定化合物的正离子模式数据用于后续分析。在WFI/WU比较组中，上调和下调差异代谢物数量分别为104、94；在WLI/WU比较组中，上调和下调差异代谢物数量分别为60、283，这表明与WFI相比，WLI具有更少的上调代谢物和更多的下调代谢物。

3. 两个Wolbachia感染细胞系之间的竞争力差异与关键基因和代谢物有关

通过关联分析，研究者发现共有6个关键代谢物和25个关键基因在WLI/WFI比较组中差异表达，这些关键代谢物和差异基因可能是导致细胞生长和细胞竞争力产生差异的原因。该研究指出了Wolbachia和宿主在细胞水平上潜在的相互作用机制：wLug高于wFur的生长速率，使得wLug的相对密度更高，导致wLug在细胞中具有比wFur更强的扩散性。Wolbachia菌株可以在细胞外培养基中穿过细胞膜短时间存活。wLug可能在培养基中存活得更好，穿透WFI细胞的膜，然后附着在细胞微管上，这种附着会促进新感染的wLug扩散到更多有丝分裂的细胞中。相比之下，wFur由于其低密度和低扩散性，在WLI细胞中可能不太稳定。因此，宿主细胞竞争力可能会受到细胞生长速率和Wolbachia扩散率的影响。

图1 对WFI和WLI之间竞争力差异的机械理解模型

02

内共生菌降低飞虱的微生物组多样性、改变宿主代谢和繁殖力^[2]

实验设计（代谢组+微生物组）

主要研究成果

1. 单感染和双感染减少宿主体内细菌多样性

16S扩增子测序结果表明，单感染和双感染都降低了其他细菌的相对丰度并改变了细菌群落结构。内共生菌在成虫和若虫之间以及成虫组织之间的密度不同，总细菌和不动杆菌的相对密度受单感染和双感染的影响。

2. 内共生菌感染可降低宿主繁殖力

非靶向代谢组学分析表明，单感染和双感染都降低了宿主繁殖力，尤其是双感染。精氨酸生物合成在C/U比较组中上调，精氨酸的增加可能是导致单感染品系的繁殖力降低的原因。另外，烟酰胺代谢也可能影响繁殖力。在C/U比较组中仅观察到上调途径，在CW/C比较组中仅观察到下调途径，表明Cardinium上调了宿主的代谢水平，而Woldbachia似乎下调了宿主代谢水平。

3. 内共生菌可能是通过操控微生物群来影响宿主代谢

关联分析指出，Cardinium本身以及与Wolbachia结合会影响细菌微生物群和代谢物水平，并可能对宿主繁殖力产生影响。并且，研究人员提出了共生体感染后细菌多样性、代谢翻译和宿主繁殖力之间潜在的相关性模型：U组个体可能不需要为内共生菌提供额外的营养，从而导致细菌多样性高，并允许宿主具有高繁殖力。C组中，由于Cardinium的营养需求，细菌密度和宿主繁殖力降低，导致更高水平的代谢差异。而CW组个体可能需要足够的营养才能使两种内共生菌存活，这进一步降低了细菌多样性。此外，代谢途径可能受到Cardinium和Woldbachia之间相互作用的影响，进一步降低繁殖力。因此，内共生菌可能是通过操纵其他组织中微生物组来影响宿主代谢的。

图2 内共生菌感染后细菌多样性、代谢反应和宿主繁殖力之间潜在相关性的模型

科技君点睛

生物过程具有复杂性和整体性，单一组学数据难以系统全面地解析疾病等表型发生发展的复杂机制；多组学关联能弥补单一组学数据缺失、噪音干扰等因素带来的问题；多组学数据间相互验证，能减少单一组学分析带来的假阳性；多组学联合更有利于对生物体进行表型和调控机制的深入研究。

这两篇研究分别采用代谢组和转录组以及代谢组和微生物组联合分析，对农业害虫飞虱和其内共生菌之间的作用机制进行了研究，为农业害虫的治理提供更多理论基础。

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参考文献：

[1] Li T P, et al. (2021). Two newly introduced Wolbachia endosymbionts induce cell host differences in competitiveness and metabolic responses. Applied and Environmental Microbiology.

[2] Li T P, et al. (2022). Endosymbionts reduce microbiome diversity and modify host metabolism and fecundity in the planthopper Sogatella furcifera. mSystems.

供稿：翎儿

编辑：市场部

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