近日，南京農(nóng)業(yè)大學植物保護學院李國清金琳團隊在重要國際學術(shù)期刊Nature Communications上發(fā)表題為“Mandelonitrile produced by commensal bacteria protects the Colorado potato beetle against predation”的最新研究成果。該研究發(fā)現(xiàn)重大外來入侵害蟲馬鈴薯甲蟲Leptinotarsa decemlineata能夠釋放劇毒氰化氫（HCN）抵御天敵捕食；其腸道共生細菌普通變形桿菌Proteus vulgaris菌株Ld01在該過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，為宿主生成氰化物苦杏仁苷和扁桃腈，扁桃腈富集于馬鈴薯甲蟲表皮，在甲蟲受驚時分解產(chǎn)生HCN，以保護其免受捕食。
馬鈴薯甲蟲是國際上公認的馬鈴薯毀滅性檢疫害蟲，也是我國對外重大檢疫對象和重要外來入侵物種之一；其具有驚人的生態(tài)可塑性和適應(yīng)性，對所有使用過的各種類型殺蟲劑都產(chǎn)生過抗藥性，防控形勢不容樂觀，嚴重威脅我國馬鈴薯生產(chǎn)安全。
馬鈴薯甲蟲以成蟲和幼蟲取食為害，常將整株馬鈴薯葉片食光，造成嚴重產(chǎn)量損失；利用天敵對其進行生物控制是馬鈴薯甲蟲持續(xù)控制的一項重要和必要技術(shù)措施。然而，其幼蟲和成蟲依賴于橙色和黑色等顯著的色彩組合警示捕食者其具有毒性，同時能夠分泌和釋放毒性化合物，有效抵御天敵的捕食，制約了生物防治技術(shù)的應(yīng)用效果。遺憾的是，馬鈴薯甲蟲分泌和釋放毒性化合物的種類、來源和分子機制尚不清楚，破解其中奧秘將是研發(fā)利用天敵進行高效生物防治技術(shù)的重要途徑。
該研究發(fā)現(xiàn)馬鈴薯甲蟲幼蟲和成蟲在受驚時會通過分解扁桃腈（mandelonitrile）和其他氰基化合物來釋放大量有毒的氰化氫（HCN）以抵御可能的天敵捕食。而從馬鈴薯甲蟲腸道中分離到一種名為普通變形桿菌（Proteus vulgaris）的細菌菌株Ld01，體外培養(yǎng)能夠產(chǎn)生HCN和一種生成扁桃腈的氰基葡萄糖苷——苦杏仁苷（amygdalin）；敲除Ld01中編碼氰化氫合成酶的基因（hcnB）會降低Ld01的HCN生產(chǎn)能力。
對馬鈴薯甲蟲進行抗生素處理以消除其腸道共生細菌，會導致幼蟲和成蟲的HCN排放量大幅減少；去除細菌的甲蟲可以通過添加扁桃腈或重新接種Ld01來恢復(fù)HCN的釋放量，但無法通過接種Ld01的hcnB1或hcnB2突變體來恢復(fù)；揭示了馬鈴薯甲蟲依賴于分解腸道共生細菌Ld01產(chǎn)生的扁桃腈釋放HCN。使用雙重選擇實驗發(fā)現(xiàn)天敵家雞更喜歡捕食去除共生細菌的馬鈴薯甲蟲幼蟲，而不是正常幼蟲、重新接種Ld01的幼蟲或注射扁桃腈的幼蟲。
該研究強調(diào)了馬鈴薯甲蟲腸道共生細菌在產(chǎn)生生氰化合物扁桃腈及其衍生代謝物HCN方面的作用，這些毒性化合物協(xié)助保護馬鈴薯甲蟲免受捕食天敵的捕食。研究可以增強人們對昆蟲和共生細菌間互作關(guān)系的科學認識，并為利用天敵對馬鈴薯甲蟲進行可持續(xù)防控提供科學依據(jù)。
馬鈴薯甲蟲依賴于分解腸道細菌產(chǎn)生的生氰化合物釋放HCN抵御天敵捕食
該成果以南京農(nóng)業(yè)大學為第一署名單位和通訊單位，李國清教授為論文通訊作者，植物保護學院已畢業(yè)博士生康瑋楠為論文第一作者，在讀博士生潘揚等參與了論文中的關(guān)鍵研究工作。植物保護學院金琳副教授及新疆農(nóng)業(yè)科學院郭文超研究員、付開赟副研究員等參與了該研究工作。該研究得到了國家自然科學基金、新疆科技重大專項等項目的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54439-z
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