水稻養(yǎng)活了全球近半數(shù)人口，但在亞洲卻長期面臨一種毀滅性病毒的威脅——南方水稻黑條矮縮病毒（Southern rice black-streaked dwarf virus，SRBSDV）。感染該病毒的水稻植株矮小、葉片皺縮、無法抽穗結(jié)實(shí)，嚴(yán)重時(shí)甚至顆粒無收。該病毒由昆蟲媒介白背飛虱（Sogatella furcifera）以循回增殖型的方式在田間傳播，飛虱的傳播效率直接決定了病害的流行強(qiáng)度。

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物病毒研究室自本世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)并鑒定SRBSDV以來，一直圍繞該病害的流行與成災(zāi)機(jī)制開展研究。在歷時(shí)十年的田間監(jiān)測中，團(tuán)隊(duì)注意到了一個(gè)值得關(guān)注的現(xiàn)象：雖然大多數(shù)白背飛虱種群在攜帶病毒后能高效地將病毒傳給水稻，但總有大約十分之一的種群，其傳播效率明顯偏低，甚至幾乎不能完成傳播。這一穩(wěn)定存在的差異促使他們深入探究背后的原因。

近日，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院張彤教授團(tuán)隊(duì)在PNAS上在線發(fā)表了題為Wolbachia-mediated viral transmission enhancement in insect vectors的研究論文，揭示了白背飛虱體內(nèi)共生菌調(diào)控SRBSDV傳播效率的新機(jī)制。

通過對高傳播效率（high transmission，HT）和低傳播效率（low transmission，LT）這兩類代表性白背飛虱種群進(jìn)行微生物組測序，答案逐漸清晰。HT種群體內(nèi)含有高豐度的沃爾巴克氏體（Wolbachia），這是一種在節(jié)肢動(dòng)物中廣泛存在的胞內(nèi)共生菌，相對豐度超過百分之八十；而在LT種群中，這種細(xì)菌的豐度極低。研究人員隨后回溯分析了七十多個(gè)田間采集種群的樣本，證實(shí)攜帶Wolbachia與較高的病毒傳播效率之間存在顯著的正相關(guān)。

田間低傳播能力的白背飛虱種群缺乏Wolbachia

（A）高傳播效率（HT）與低傳播效率（LT）白背飛虱種群的SRBSDV獲毒率。（B）HT與LT種群中SRBSDV P10 mRNA的相對表達(dá)水平。（C）HT與LT種群的SRBSDV傳播效率。（D）HT與LT白背飛虱種群16S rRNA擴(kuò)增子測序中主要細(xì)菌門水平的相對豐度。（E）HT與LT白背飛虱種群16S rRNA擴(kuò)增子測序中主要細(xì)菌屬水平的相對豐度。（F）16S rRNA擴(kuò)增子測序中HT與LT種群中Wolbachia的reads數(shù)量。（G）HT與LT白背飛虱中Wolbachia的相對累積量。（H）Wolbachia帶菌率與SRBSDV傳播效率相關(guān)性分析。

為了確認(rèn)這種關(guān)聯(lián)是否具有因果性，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。他們利用抗生素處理獲得了不攜帶Wolbachia的白背飛虱品系，再通過胚胎期顯微注射將該共生菌重新引入。結(jié)果顯示，清除Wolbachia后，白背飛虱傳播病毒的能力大幅下降，而重新引入后傳播能力又得以恢復(fù)。一系列解剖和分子檢測表明，病毒傳播的瓶頸在于昆蟲的唾液腺這道組織屏障。在缺乏Wolbachia的種群中，病毒可以在中腸正常增殖，也能釋放到血淋巴，但很難進(jìn)入唾液腺。通過直接將病毒顆粒注射到昆蟲胸腔以繞過中腸屏障，這一結(jié)論得到了進(jìn)一步確認(rèn)。

那么，Wolbachia究竟是如何幫助病毒突破唾液腺防線的？透射電鏡和免疫電鏡提供了直接的形態(tài)學(xué)證據(jù)：在攜帶該共生菌的白背飛虱唾液腺細(xì)胞中，研究人員觀察到病毒顆粒被Wolbachia完整包裹的現(xiàn)象。進(jìn)一步的分子互作實(shí)驗(yàn)揭示了這一過程的物質(zhì)基礎(chǔ)—Wolbachia的外膜表面蛋白WSP與病毒的次核心外殼蛋白P8之間存在直接的物理結(jié)合。正是這種蛋白質(zhì)之間的結(jié)合，使得病毒粒子能夠附著于共生菌，從而得以一同穿越唾液腺。

唾液腺中Wolbachia包裹SRBSDV病毒粒子

（A）利用透射電子顯微鏡（TEM）觀察攜帶Wolbachia的帶毒和不帶毒白背飛虱唾液腺細(xì)胞。（B）在免疫電鏡實(shí)驗(yàn)中，使用Wolbachia外膜表面蛋白WSP的特異性抗體對唾液腺細(xì)胞中的Wolbachia進(jìn)行標(biāo)記。紅色箭頭指示SRBSDV病毒粒子，藍(lán)色箭頭指示膠體金標(biāo)記的WSP抗體。

基于以上發(fā)現(xiàn)，研究者嘗試了一種阻斷策略。他們將制備的靶向WSP蛋白的抗體，注射到攜帶Wolbachia且已感染病毒的白背飛虱體內(nèi)，以干擾WSP與P8的結(jié)合。結(jié)果顯示，抗體注射顯著減少了侵入唾液腺的病毒量，并使傳毒效率降低至對照組的一半左右，而昆蟲整體以及共生菌本身的載量并未受到明顯影響。

這項(xiàng)研究提供了一個(gè)有別于以往認(rèn)知的新視角。長期以來，人們熟知Wolbachia能夠引發(fā)宿主胞質(zhì)不親和，從而被用于蚊子的種群控制；它也能通過資源競爭或激活宿主免疫等方式抑制登革熱病毒、寨卡病毒等蚊媒病毒的感染。而本研究發(fā)現(xiàn)，在水稻病毒與白背飛虱這一特定組合中，Wolbachia反而發(fā)揮了協(xié)助傳播的作用：它并非通過間接調(diào)控，而是作為物理載體直接參與病毒跨越組織屏障的過程。這一發(fā)現(xiàn)不僅加深了我們對病毒、媒介昆蟲與共生微生物三者互作關(guān)系的理解，也為開發(fā)針對性的防控措施提供了新的思路。通過靶向WSP與P8的相互作用，或許可以在不消滅Wolbachia的情況下，有效降低白背飛虱傳播病毒的能力，為水稻病毒病害的可持續(xù)治理探索一條新路徑。

從病田中的意外發(fā)現(xiàn)，到長達(dá)十年的追蹤驗(yàn)證，再到分子機(jī)制的精細(xì)解析，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究揭示出昆蟲微生物世界的復(fù)雜性遠(yuǎn)超我們以往的想象。據(jù)估算，約65%的昆蟲都攜帶Wolbachia，因此該發(fā)現(xiàn)不僅對SRBSDV的防控有重要指導(dǎo)意義，也為其他媒介昆蟲傳播的病毒病害提供了新的研究范式—探究一種共生菌在特定體系中究竟扮演了什么角色，需要我們深入到病毒、共生菌與昆蟲共同構(gòu)成的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，逐一辨明其具體功能。

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院張彤教授和楊新副研究員為論文共同通訊作者，植物保護(hù)學(xué)院博士生王瑩為論文第一作者，植物保護(hù)學(xué)院周國輝教授為該研究提供了重要指導(dǎo)，分析測試中心黃吉雷高級實(shí)驗(yàn)師提供了重要技術(shù)支持。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和國家水稻產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：

www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2607638123

PlantGFM鏈接：

https://huggingface.co/hu-lab