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草地贪夜蛾农作物的负面影响显著，对粮食产量有很大影响，然而其快速引进和传播的背后原因尚不清楚。
2024年7月4号，中国农业科学院深圳农业基因组所萧玉涛团队的最新研究论文 “Novel mito-nuclear combinations facilitate the global invasion of a major agricultural crop pest” 。该成果基于长期田间系统追踪监测、飞行生物学、群体基因组学和比较转录组等数据报道了草地贪夜蛾两种线粒体生物型 “分工明确、团结协作、多兵种作战”的入侵扩散模式。草地贪夜蛾水稻型（FAW-mR）利用更快的振翼频率、更低的翅负载和更高的能量代谢来驱动更强的远距离迁飞能力快速入侵到新栖息地，而玉米型（FAW-mC）则将能量转移到母系投资（Maternal investment）中，表现为更快的发育速率和更高的繁殖力，进一步发现两种生物型在我国新入侵环境中表现出的不同适应性特征，可能是由于线粒体编码蛋白的氨基酸变化所导致。该研究将为深入理解草地贪夜蛾在我国快速入侵扩散和暴发成灾的内在机制提供理论依据。草地贪夜蛾是联合国粮农组织全球预警的重大迁飞性农业害虫，原生于美洲热带和亚热带地区，根据寄主偏好性主要分为水稻型和玉米型两种生物型。自2019年1月入侵中国以来，其凭借强大的远距离迁飞能力迅速扩散暴发，给我国玉米等粮食作物的可持续生产造成极大的威胁。近年来，萧玉涛团队一直从事草地贪夜蛾快速入侵扩散和适应性进化的机制研究。团队前期构建了草地贪夜蛾高质量的染色体水平基因组，并在此基础上对我国不同地理种群样品重测序分析，发现入侵我国的草地贪夜蛾两种线粒体生物型具有相同的核遗传背景，可能来自水稻型母本和玉米型父本杂交群体的后代，后期逐渐演化为一种以“玉米型”遗传背景为主导的群体（Molecular Ecology Resource, 2020）；另一项研究通过群体基因组学分析阐明了东半球草地贪夜蛾潜在的入侵来源，并初步揭示了其快速扩散的遗传机制（Molecular Ecology, 2023）。![]()
图1 2019-2021年草地贪夜蛾生物型的田间比例动态变化
本研究在前期研究基础上，通过2019-2021年连续3年的田间系统追踪监测，发现初期入侵我国和首批入侵我国非越冬区的FAW-mR比例占明显优势（>98%）。同时，我们提取了联合国粮农组织网站记录的草地贪夜蛾首次入侵非洲的数据，发现入侵非洲的FAW-mR比例同样具有相似的变化趋势（图1）。我们推测FAW-mR可能具有更明显的远距离迁飞优势，率先迁入我国后逐渐扩散蔓延。因此，我们于广西和海南采集田间种群并构建品系，室内飞行生物学试验明确了FAW-mR具有更低的翅负载和更强的迁飞能力；而FAW-mC则表现出更快的发育速率和更高的繁殖力（Mother’s Curse典型案例）。随后，基于大量的线粒体全基因组数据和透射电镜（TEM）分析发现，FAW-mR和FAW-mC线粒体编码的蛋白基因中共存在18处稳定的氨基酸变异且线粒体结构存在明显的差异。 为明确线粒体编码蛋白中的氨基酸变化是否与两者生物学差异相关，我们进行了线粒体复合物结构功能预测。在复合物I结构中，线粒体编码的ND5蛋白是四个质子泵之一，核编码的NDUFA11对于复合物I的组装是必需的，去除它将消除其活性，直接影响生物体能量代谢进程。我们发现NDUFA11中的两个残基与线粒体ND5的“活塞臂”纠缠在一起，其中FAW-mR苯丙氨酸的替换（ND5 550F）引入了一个更大的疏水芳香侧链，预测会改变其与磷脂酰肌醇分子形成π-堆积的相互作用。这种结构预测模型与FAW-mR中观察到的更高ATP产量和更紧凑的线粒体结构一致。最后，转录组分析表明FAW-mR上调基因显著富集到能量代谢相关通路，可以产生较多远距离飞行所需的能量（图2）。 ![]()
图2 草地贪夜蛾快速入侵扩散的潜在分子机制
中国农业科学院深圳基因组所副研究员李洪冉为本论文第一作者，博士生梁馨月、彭炎，博士后刘振兴，副研究员张磊为共同第一作者，萧玉涛研究员为论文的通讯作者。中国农业科学院植保所吴孔明研究员、兰卡斯特大学Kenneth Wilson教授、美国橡树岭国家实验室Michael R. Garvin博士、基因组所靳明辉研究员为该研究提供了协助指导。该研究得到了国家自然科学青年基金、科技创新2030项目和深圳市科技计划等项目资助。 期刊介绍
Advanced Science （AS）是 Wiley 出版集团旗舰期刊 Advanced 系列中的一本完全开放获取的跨学科期刊，发表材料科学、物理、化学、医学、生命科学、环境科学、工程和社会科学等领域的前沿基础和应用研究。我们的使命是通过开放获取出版，使前沿创新的科学研究具有最大程度的可访问性。Wiley 的 Advanced 系列是全球公认的高影响力期刊家族，传播来自资深和青年研究人员的最佳科学成果，帮助他们实现使命并最大限度地扩大科学发现的影响力。
Advanced Science最新的影响因子（JIF）为 14.3，五年平均影响因子为 16.3，JCI 引文指标为 2.07，CiteScore 为 18.9。在 2023 年中科院文献情报中心期刊分区表中，Advanced Science位列材料科学 1 区 TOP 期刊，且在三个小类中均位列 1 区。开放获取论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202206120
