沃尔巴克氏体通过核黄素合成促进线粒体能量产生以增强灰飞虱卵巢发育

《Nature Communications》：Wolbachia enhances ovarian development in the rice planthopper Laodelphax striatellus through elevated energy production

本研究针对内共生菌沃尔巴克氏体（Wolbachia）调控宿主繁殖的分子机制这一科学问题，通过多组学分析和功能实验证实：wStri品系沃尔巴克氏体合成的核黄素通过上调宿主核黄素转运蛋白slc52a3a表达，显著增强灰飞虱（Laodelphax striatellus）雌虫线粒体复合体I活性，促进ATP合成，从而加速卵巢发育并提高繁殖力。该研究发表于《Nature Communications》，首次揭示微生物合成维生素驱动宿主能量代谢与生殖调控的完整通路，为害虫防治策略提供新靶点。

　　

在昆虫与微生物的共生关系中，沃尔巴克氏体（Wolbachia）堪称"双面角色"——它既能通过诱导细胞质不亲和等机制操纵宿主繁殖，又能在营养匮乏时为宿主提供必需的维生素。这种矛盾特性在农业害虫灰飞虱（Laodelphax striatellus）中尤为显著：田间调查显示几乎100%的灰飞虱携带沃尔巴克氏体，且感染个体具有更强的繁殖优势。然而，这种共生菌如何精准调控宿主的生殖系统，特别是其合成的维生素如何转化为生殖能量，始终是学界未解的谜题。

南京农业大学植物保护学院洪晓月与邴孝利团队在《自然·通讯》发表的研究，首次绘制出沃尔巴克氏体通过合成核黄素（维生素B₂）激活宿主能量代谢通路、加速卵巢发育的完整调控网络。研究人员发现，感染沃尔巴克氏体的雌性灰飞虱产卵量增加53%，卵孵化率显著提升，且卵巢发育速度明显快于未感染个体。通过转录组分析，团队锁定与沃尔巴克氏体密度正相关的核黄素转运蛋白slc52a3a基因，并证实该基因在若虫期的表达对成虫卵巢成熟具有决定性影响。

关键技术方法包括：通过抗生素处理和血淋巴注射构建沃尔巴克氏体感染/未感染品系；利用RNA-seq和WGCNA共表达网络分析差异表达基因；采用qPCR检测菌群密度和基因表达；通过ATP检测试剂盒和线粒体复合体活性试剂盒测定能量代谢水平；建立沃尔巴克氏体感染的sf9细胞系验证核黄素合成功能；利用RNA干扰技术敲低slc52a3a和ATPeF1B基因进行功能验证。

Wolbachia增强雌虫卵巢发育

通过系统比较感染（WI）与未感染（WU）灰飞虱的生物学指标，发现WI雌虫不仅产卵期延长，且在羽化后前6天即进入产卵高峰，卵巢内成熟卵泡数量在羽化后第3天和第5天显著多于对照组。显微观察显示WI个体卵巢体积更大、发育更快，表明沃尔巴克氏体通过加速卵泡成熟提升生殖效率。

Wolbachia上调线粒体相关通路基因表达

RNA-seq分析涵盖3龄若虫至5日龄成虫的6个发育阶段，WGCNA模块分析筛选出256个与感染状态和发育阶段相关的核心基因。GO富集显示这些基因显著富集于线粒体外膜转运酶复合体等通路，且在卵巢组织中的差异表达基因数量远超中肠和马氏管。胰岛素信号通路、昆虫激素合成等生殖相关代谢通路在WI个体中普遍上调。

能量生产提升驱动卵巢发育

虽然线粒体DNA编码基因表达无显著差异，但WI雌虫线粒体复合体I活性在羽化首日显著升高，带动全身及卵巢ATP含量在发育早期（1-3日龄）激增。通过饲喂复合体I抑制剂鱼藤酮（rotenone）证实，抑制能量生产会直接导致成熟卵泡数量减少；而敲低ATP合成关键基因ATPeF1B后，WI个体的卵巢发育优势完全消失，证明能量供应是沃尔巴克氏体促生殖效应的核心环节。

沃尔巴克氏体合成核黄素的关键作用

研究显示WI雌虫体内核黄素含量显著高于WU个体，尤其在羽化首日差异最大。将wStri菌株转染至sf9细胞后，胞内核黄素和ATP含量分别提升8倍，直接验证沃尔巴克氏体的核黄素合成功能。在人工饲料中添加核黄素可显著挽救WU雌虫的ATP水平低下和卵巢发育延迟，但对WI个体无叠加效应，说明沃尔巴克氏体已通过内源合成满足宿主需求。

核黄素转运蛋白slc52a3a的功能验证

slc52a3a基因在WI个体若虫期和成虫早期显著高表达，且表达量与沃尔巴克氏体密度呈正相关。在5龄若虫期敲低该基因会导致羽化失败、成虫存活率下降，并伴随复合体I活性降低、ATP含量减少和卵泡发育受阻。但在成虫期进行基因沉默无显著影响，表明核黄素对卵巢发育的调控存在关键时间窗口。

该研究首次揭示沃尔巴克氏体通过"核黄素合成-转运蛋白上调-线粒体复合体I激活-ATP产能"的级联反应，将微生物代谢与宿主生殖能量供应相偶联。这不仅解释了沃尔巴克氏体在灰飞虱种群中近乎固定存在的生态学优势，更创新性地提出维生素转运蛋白可作为害虫防治的新靶标。研究建立的wStri感染细胞模型为解析共生菌-宿主互作提供了理想平台，而发现的发育阶段依赖性调控机制，则提示共生菌的生态功能需要结合宿主生命周期进行动态评估。这项成果为理解微生物驱动昆虫种群爆发的内在规律提供了全新范式，对开发基于共生菌调控的绿色防控技术具有重要指导意义。