代谢组学助力山西农大在中科院一区期刊发布最新研究成果

学术   2024-11-07 11:53   北京  




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研究背景

昆虫病原真菌(Entomopathogenic Fungi, EPF)是控制农业害虫的有效工具。目前全球已有27种EPF菌株注册用于害虫控制(Jiang and Wang, 2023)。这些生物杀虫剂在实际应用中表现出良好的效果,不仅可以有效杀死害虫,还能诱导植物抗性、降解化学农药、促进营养循环和增强植物对各种生物和非生物胁迫的抵抗力(Bamisile et al., 2023; Gupta et al., 2022; Quesada-Moraga et al., 2023; Swathy et al., 2024)。
Cordyceps javanica是一种专门针对刺吸式口器害虫(如蚜虫和白粉虱)的昆虫病原真菌(Behle et al., 2022; Wang et al., 2023; Xing et al., 2023)。虽然C. javanica已被注册为真菌杀虫剂,但对其杀虫机制的了解仍然有限。基因组分析显示,C. javanica不包含与beauvericin合成相关的基因簇(Lin et al., 2019),这意味着它可能不会产生beauvericin。
本研究旨在评估C. javanica发酵液的杀虫活性,特别是其代谢产物中的次级代谢物对蚜虫(Myzus persicae)的影响。通过鉴定和分析这些代谢产物,希望为开发基于真菌代谢产物的新型、环保、高效杀虫剂提供科学依据。

02

研究方法

收集C. javanica的PDB发酵液,经0.1 μm水系滤器过滤,获得C. javanica的代谢产物。使用无农药处理的甘蓝叶片作为测试载体,将20只蚜虫放置在每个叶片上,每组设置5个重复。将不同发酵时间的代谢产物均匀喷洒在叶片上,每片叶片喷洒1 mL。逐日记录蚜虫的死亡情况。
采用高效液相色谱-质谱联用技术(HPLC-MS)对不同发酵时间的代谢产物进行分析,鉴定其中的次级代谢物。通过比较3 DPF和5 DPF的代谢产物,筛选出具有显著差异的代谢物,并进一步评估其杀虫活性和AChE抑制活性。
使用Schrodinger模拟Heteratisine与蚜虫AChE的结合模式。动力学模拟验证Heteratisine与AChE结合的稳定性和结合位点。

03

主要发现


代谢产物的时间依赖性

发酵后第3天(3 DPF)和第5天(5 DPF)的代谢产物对蚜虫的致死率存在显著差异,5 DPF的代谢产物表现出更高的杀虫活性。

Figure 1. Mortality symptoms (A and B) and survival function (C) of M. persicae after inoculation with different days post fermentation (DPF) solutions

  关键代谢物的鉴定  

通过代谢组学分析,发现了一种关键的生物碱——Heteratisine。Heteratisine对蚜虫成虫的绝对半数致死浓度(LC50)仅为0.2272 mg/L,显示出极高的杀虫活性。Heteratisine对乙酰胆碱酯酶(AChE)的半数最大抑制浓度(IC50)为76.69 μM,表明其具有较强的AChE抑制活性。

Figure 2. OPLS-DA (A) and differential metabolites heat maps (B) of 3 DPF (CK) with 5 DPF (Treat-5d)Figure 3. Number (A) and composition (B) of differential metabolitesFigure 4. Corrected mortality of M. persicae at 24 h (A) and inhibition of AChE activity (B) by heteratisine


  分子对接与动态模拟

通过分子对接和动力学模拟,发现Heteratisine与蚜虫AChE的外围阴离子位点(PAS)结合,导致酶活性的抑制。这一机制解释了Heteratisine的杀虫活性。

Figure 5. 3D model of M. persicae AChE based on Alphafold2 (A: Q8T7U9; B: Q7YZQ0)

Figure 6. 2D (A) and 3D (B) representations of heteratisine interconnecting with Q7YZQ0

Figure 7. Molecular dynamics simulation of heteratisine combined with Q7YZQ0 (A: RMSD analysis, blue: Q7YZQ0, red: Heteratisine; B: RMSF analysis, blue: β fold region, red: α spiral region; C: Interaction type; D: Interaction time; E: Combination mode)

Figure 8. 3D structure overlap of Q7YZQ0 and 4EY7


  其他代谢产物

除了Heteratisine,C. javanica还产生了其他具有AChE抑制活性的化合物,这些化合物也可能具有杀虫活性,进一步丰富了其杀虫机制的多样性。

Figure 9. Metabolites in the metabolic fluid of C. javanica with possible insecticidal activity

04

研究结论

  •  C. javanica的代谢产物对桃蚜具有显著的杀虫活性。其中Heteratisine通过抑制AChE的活性,对桃蚜产生高效的杀虫效果。

  • C. javanica的复杂代谢产物为开发新型、环保、高效的生物杀虫剂提供了新的思路。

  • 本研究探索了C. javanica的杀虫机制,为进一步研究和应用真菌代谢产物在农业害虫控制中的潜力奠定了基础。

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研究意义

这项研究不仅增进了对C. javanica杀虫机制的理解,还为开发基于真菌代谢产物的新型生物杀虫剂提供了科学依据。通过深入研究这些代谢产物的作用机制,未来可以设计出更加安全、高效的绿色杀虫剂,减少化学农药的使用,促进可持续农业的发展。

以上内容来源于山西农业大学植物保护学院邢培翔投稿

END



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