2024年5月22日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心王四宝研究组在Cell Press合作综合性国际学术期刊The Innovation上在线发表了题为“Unveiling a novel entry gate: Insect foregut as an alternative infection route for fungal entomopathogens”的研究论文。该研究首次报道了昆虫前肠可作为杀虫真菌的侵染新途径，并揭示了球孢白僵菌大孢变种通过碱性信号通路Aia-PalC-PacC，快速响应和耐受昆虫碱性肠道环境的分子机制。

昆虫病原真菌是昆虫病原体中的最大类群，是自然界昆虫种群消长的重要调节因子，已被开发成为环境友好的微生物杀虫剂，用于防治多种农林和卫生害虫。然而，与病原细菌和病毒经肠道侵染昆虫的途径不同，目前应用的生防真菌只能通过体壁途径侵染害虫。这种体壁侵染方式虽然在防治刺吸式口器的害虫上具有独特的优势，但其防治效果易受不利环境因素（如干旱、高温和紫外线）的影响，极大地限制了真菌杀虫剂的推广应用。因此，寻找具有新型侵染途径的杀虫真菌对提高真菌杀虫剂的防治效果具有重要意义。

昆虫的消化道环境湿润且相对稳定，有利于真菌孢子的快速萌发和生长。近百年来，科学家们一直致力于探索发现能够通过昆虫肠道途径侵染的病原真菌，但始终未能获得直接证据证明真菌可以通过肠道感染昆虫。普遍观点认为，昆虫肠道内不适宜的pH环境、众多的消化酶以及多样的肠道微生物可能抑制了真菌孢子的萌发。因此，长久以来，人们普遍认为昆虫病原真菌仅通过体壁途径侵染昆虫。

早在2014年，王四宝研究员团队在探究肠道细菌影响真菌肠道感染的过程中，意外地率先发现了一株球孢白僵菌Bbm菌株，该菌株展现出了通过肠道侵染鳞翅目幼虫的独特能力。通过口服饲喂的研究方法（图1A），证实Bbm能够通过肠道侵染家蚕（图1B）和豆天蛾幼虫（图1C）。这种侵染方式不仅能快速杀死低龄幼虫，而且对即将化蛹的老熟幼虫同样致命（图1D）。即使在干燥的环境条件下，该菌株也能够通过口服方式有效感染鳞翅目幼虫。另外，肠道菌群的存在与否不影响Bbm的肠道侵染能力。重要的是，与单一途径侵染相比，经体壁和肠道双途径侵染能够显著增强Bbm的杀虫效力（图1E）。通过解剖和组织切片观察表明，前肠是球孢白僵菌Bbm通过肠道感染昆虫的入侵部位（图1F）。系统发育分析和形态学观察，发现Bbm属于球孢白僵菌的一个变种，其分子孢子的尺寸明显大于普通的球孢白僵菌菌株，因此将其命名为球孢白僵菌大孢变种（Beauveria bassiana var. majus）（图1G）。

真菌分生孢子萌发是其产生致病力的第一步。鳞翅目幼虫前肠环境呈现强碱性（pH 10.0~11.0）。研究发现，Bbm菌株的分生孢子在强碱性条件下具备快速萌发的能力。真菌耐碱性能力主要由Pal-pH响应信号通路中的转录因子PacC调控。敲除PacC导致Bbm菌株的耐碱性能力和肠道致病性显著减弱。在碱性条件下，Bbm菌株中PacC转录表达迅速上调，继而PacC蛋白被快速水解活化。PacC蛋白的水解活化依赖于上游传递碱性pH信号的PalC。在碱性条件下，Bbm菌株PalC基因快速响应并显著上调高表达。敲除PalC基因显著抑制了PacC蛋白在碱性条件下的水解活化，并显著降低Bbm菌株的耐碱性和肠道侵染毒力。比较基因组分析发现，与非肠道致病性菌株相比，Bbm菌株PalC邻近基因Aia存在一个249 bp的片段缺失，导致Aia基因在碱性条件下被快速诱导表达。BbmAia作为碱性诱导激活子（alkaline inductive activator，Aia），正向调控邻近基因PalC的表达。PalC通过蛋白水解活化PacC，活化的PacC入核，作为转录因子激活下游碱性pH诱导基因的表达。研究还发现，在非肠道致病性菌株中异源表达BbmPacC的活性短肽，能够使其获得肠道侵染昆虫的能力。

综上，本研究首次发现，球孢白僵菌大孢变种Bbm能够通过体壁和前肠两种途径侵染鳞翅目幼虫。Bbm适应鳞翅目幼虫肠道强碱性环境的关键在于其进化出的碱性诱导激活子Aia。这一新的pH响应调控通路Aia-PalC-PacC增强了Bbm菌株耐受昆虫前肠的强碱性环境，进而获得经由肠道侵染昆虫的能力（图1H）。这项新发现挑战了教科书中关于病原真菌只能经由体壁途径侵染昆虫的传统理论，也为真菌杀虫剂的应用提供了新的思路。体壁和肠道的双重侵染途径有望显著增强真菌杀虫剂的防控效果，为开发新一代真菌杀虫剂开辟了新方向。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心赖屹玲副研究员、博士研究生郑伟路、郑奕彤和江苏科技大学联合培养硕士研究生卢海泉（已毕业）为该论文的共同第一作者，王四宝研究员为通讯作者。工作人员曲爽博士、已毕业博士研究生王历历、江苏科技大学李木旺教授等参与了该项研究工作。该研究得到了国家自然科学基金创新研究群体项目、国家重点研发计划重点专项、新基石研究员项目、中国科学院青年创新促进会等资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.xinn.2024.100644

图1. 球孢白僵菌大孢变种（Beauveria bassiana var. majus）经前肠侵染昆虫新途径的发现及其机制。（A）对家蚕幼虫口服饲喂真菌孢子；（B）球孢白僵菌大孢变种Bbm菌株能通过口服经由肠道感染家蚕幼虫；（C）Bbm经肠道侵染豆天蛾幼虫；（D）Bbm经肠道侵染即将化蛹的老熟幼虫；（E）与单一途径侵染相比，经体壁和肠道双途径侵染能够显著增强Bbm的杀虫效力；（F）前肠是球孢白僵菌Bbm通过肠道感染昆虫的入侵部位；（G）Bbm菌株属于球孢白僵菌大孢变种；（H）Bbm菌株能够通过体壁和前肠两种途径侵染鳞翅目幼虫，并通过碱性信号通路Aia-PalC-PacC快速响应和耐受鳞翅目昆虫强碱性的前肠环境，从而获得经由肠道侵染昆虫的能力。