Nature子刊两篇最新论文揭示咖啡螟虫基因组及其消化机理
 

2015年7月31日,咖啡螟虫基因组草图在Nature子刊《Scientific Reports》发表;而在此之前半个多月,另一Nature子刊《Nature Communications》上也发表了文章,论述咖啡螟虫肠道微生物是如何消化对其它大多数昆虫来说都有较强毒性的咖啡因的。


咖啡是一种重要的经济作物,据估计每天全世界约消费22.5亿杯咖啡。两种主要商用咖啡,一是中果咖啡(罗布斯塔咖啡,C. canephora,2n=2x=22),另外一种是阿拉伯咖啡(C. arabica, 2n=4x=44)。其中二倍体的中果咖啡,其全基因序列已于2014年发布,其中主要成分咖啡因的合成代谢途径及进化史也已阐明。咖啡浆果螟(coffee berryborer:Hypothenemus hampei)是一种源自非洲中部的甲虫,是咖啡作物危害最强的害虫,全球70%的咖啡产国/地受其侵害。雌成虫在咖啡果实端部钻孔,蛀入果内产卵;卵、幼虫、蛹均在果内完成发育,成虫羽化后钻出果实。该虫主要为害成熟的果实及种子,不但破坏咖啡风味,严重时使咖啡减产90%甚至颗粒无收。但是长期以来,人们并不清楚这种害虫的作用机理,因为咖啡因作为一种生物碱,通常是一种强效杀虫剂,一般昆虫是无法耐受的。不清楚咖啡浆果螟消化降解咖啡因的原理,自然也就无法有效地提供控制这种害虫生长的措施。上述两篇最新高分论文(主要作者为来自美国、墨西哥和沙特阿拉伯的研究人员)的发表,为解决该问题打开了一扇大门。


发表在《ScientificReports》上的这篇论文完成了对咖啡浆果螟基因组和转录组的测序。这是第3个被测序的鞘翅类昆虫(甲虫),其基因组大小约为163 MB,含19222个蛋白编码基因。通过对重点关注的基因家族的分析,研究发现咖啡浆果螟基因组中含有大量和降解多糖和拮抗植物排异功能相关的基因(羧酸酯酶家族、细胞色素P450家族、谷胱甘肽s-转移酶家族、ABC转运蛋白家族等),其中部分是从细菌基因组中通过水平基因转移而来;此外研究还在咖啡浆果螟基因组中发现了抗环戊二烯类杀虫剂和抗微生物基因。这些基因对于咖啡浆果螟入侵咖啡果实及种子具有重要作用,因为咖啡种子中纤维素、半纤维素、胶质等含量较高;但是在咖啡浆果螟基因组本身中,却没有找到和咖啡因解毒(主要是通过去甲基化)相关的基因。


在《NatureCommunications》论文中,研究人员选取了来自全世界7个不同地区(涵盖亚洲、非洲和美洲)的咖啡及咖啡浆果螟样本。通过使用傅里叶红外光谱监测咖啡因浓度,研究发现正常咖啡浆果螟的排泄物中检测不出咖啡因;但是,如果咖啡浆果螟先被含广谱抗生素(四环素、链霉素、利福平)处理过的食物饲养4周之后,再用不含抗生素的咖啡饲养,其排泄物中咖啡因含量和经浆果螟消化之前相同,也就是说处理组丧失了消化咖啡因的能力,而且浆果螟生长发育情况也明显比对照组差。这些来自不同地区的浆果螟,其肠道微生物组成变化主要是和咖啡种类相关,因为两种主要咖啡的重要区别就是咖啡因含量不同,因此口味也不太相同;但不管来自何处,浆果螟肠道微生物都主要由假单胞菌、肠杆菌等组成,其中尤以黄褐假单胞菌(Pseudomonas fulva)所占比例最高,该菌基因组中含有ndmA基因,编码咖啡因脱甲基酶,并且通过RT-PCR验证该酶确实表达。与此相反,几种不能消化咖啡因的甲虫及其肠道微生物中都没有发现这种酶。前述经广谱抗生素处理4周后的浆果螟,用含有黄褐假单胞菌的基本饲料饲养1周后再用无菌基本饲料喂养,虽然生长发育情况没有恢复,但消化降解咖啡因的能力却完全恢复。这些实验都表明,咖啡浆果螟消化降解咖啡因,靠的就是其肠道微生物,尤其是其中的黄褐假单胞菌。

因此现在我们就基本清楚咖啡浆果螟的生存之道了:宿主和肠道微生物协同作用,宿主负责降解咖啡种子中富含的多糖,肠道微生物负责降解咖啡因,所以这种昆虫才能完全寄生在咖啡果实种子中。该研究再次证明了宿主和肠道微生物共生共进化的关系。上述两篇重要论文的发表,揭示了咖啡浆果螟利用并耐受咖啡因的机理,为科学防治这种害虫,提高咖啡产量提供了理论依据。

​(本文由石忆湘博士整理)

原文检索:

Ceja-Navarro, J. A.et al. Gut microbiotamediate caffeine detoxification in the primary insect pest of coffee. Nat. Commun. 6:7618,doi: 10.1038/ncomms8618 (2015).

Vega, F. E. et al. Draft genome ofthe most devastating insect pest of coffee worldwide: the coffee berry borer, Hypothenemus hampei Sci. Rep. 5, 12525; doi:10.1038/srep12525 (2015).