ISME：害虫生物防治by真菌重测序

注：本文改编自 中科院植物生理生态研究所

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研究背景


昆虫病原真菌是自然界昆虫种群的主要调节因子之一。一些寄主范围广泛的品种如白僵菌已被开发成为对环境友好的生物防治杀虫剂。在我国，杀虫真菌得到大面积的应用，例如使用球孢白僵菌防治松毛虫、玉米螟及地下害虫，绿僵菌防治蝗虫和水稻害虫等，取得了良好的生态及经济效益。然而，释放菌株能否在环境中长期宿存，对非目标宿主和本地真菌种群的影响仍然是难以捉摸的，而且它们在环境安全方面是相当令人担忧的。


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样本采集


研究针对在1995-1997年期间使用球孢白僵菌（Beauveria bassiana）防治松毛虫的皖南人工马尾松林区，分别于放菌后近两年（1997–1999年），放菌后10年（2007年）及20年（2017年）的林区采集松毛虫样本，分离纯化白僵菌菌株，进行真菌重测序（Illumina Hiseq，~4Gb），同时对放菌区外、国内其他地区采集的共277株白僵菌菌株进行种群遗传分析。


图1 227株白僵菌样本采集地点



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研究结果



白僵菌菌株在放菌应用10年、20年之后，仍存在于马尾松林间，但菌株的分离比例较低（< 8%），对当地种群结构不造成明显的影响。白僵菌能够通过“转主寄主(host jumping)”而感染松毛虫以外的非靶标昆虫，但同当地菌株季节性感染不同昆虫的“地方病”现象类似，不构成明显的非靶标安全性问题。这种频繁的转主寄主可能会减轻对昆虫病原体的选择压力。

图2 在20年间从生物控制场所收集的分离株之间的关系。a基于所有双等位基因SNP的平均成对遗传距离生成系统发育连接树（NJ）。b基于所有双等位基因SNP的分离株的PCA分析。c对不同年份收集的克隆株和分离株的Venn分析。

   

白僵菌菌株在马尾松林间以无性克隆式繁殖为主，但存在非随机(

non-random)有性繁殖的潜力，从而促进了菌株间的遗传重组的发生。白僵菌种群每10年间会发生明显的替换/复发（replacement/recurrence）的结构变化模式，特别是在20年后（即2017年，图3a），但总体表现为平衡选择及群体扩张的特征。这同菌株的远距离传播交换、多寄主感染性及遗传重组等因素相关。由于该种群不是由单一的基因型分离株（包括已释放的菌株）所控制，因此该观察排除了白僵菌进化的“军备竞争(arms race)”模型，这与对植物病原体的观察形成了对比。

三个种群的选择压力分析表明，基因组结构中含有转座子的区间多受到正选择（图3c），其中涉及的编码基因包括有较高比例的潜在效应子基因和快速进化的功能未知基因等。

图3白僵菌群体结构比较分析。a AH分离株的两个主要谱系的祖先成分。b对于三个种群，连锁不平衡的衰减（LD，以相关系数r2表示）与距离的关系。c估算三个种群中的Tajima’s D。d群体之间遗传差异的FST全基因组分析。e成对种群之间的衍生型等位基因频谱。每个位置的颜色指示每个衍生型等位基因的频率。


图4遗传重组分析。a在三个群体中染色体之间的重组率（RRs）发生变化。b对三个种群基因组的RR进行比较估计。c鉴定潜在的重组基因组块，这些基因组块由释放的菌株与局部相对交配型分离株之间的> 1000个连续和共享的SNP确定。


白僵菌不同地理种群之间存在基因流动。遗传分化分析表明，安徽放菌地和国内其他分离良好的种群之间可能发生了频繁的基因流动（Gene flow），这可能在白僵菌种群替换和扩展中发挥了额外作用。

图5地理种群之间的遗传分化和基因流动。a成对种群之间的中位遗传分化（FST）。b从不同地理来源收集的所有分离株的进化关系。基于所有双等位基因SNP的平均成对遗传距离的系统进化树（NJ）。c基于个体祖先估计真菌分离株之间的遗传关系，K=2–6。

该研究通过真菌重测序的手段，揭示了白僵菌防治松毛虫20年间真菌种群遗传与进化特征。研究发现白僵菌的数量在自然界中很大程度上可能持续很长一段时间，但回收率较低（< 8%，20年后），可以排除生物防治稀释效应的担忧。种群遗传特征分析反向，不同于植物病原菌“军备竞赛”模式，真菌-昆虫环境互作主要通过“堑壕战(trench warfare)”平衡选择的进化模式。研究成果为缓解真菌杀虫剂生物防治应用的环境安全问题及持效性提供了理论依据。
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