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原創(chuàng) 彭惺蓉 中國科學院昆明植物研究所

植食性昆蟲與其寄主植物是地球上物種最豐富的生物類群。據推測，它們非凡的多樣性源于兩者之間的拮抗協(xié)同進化——防御與反防御的相互較量驅動了多樣化進程。植物的主要化學防御依賴于一系列天然產物，包括萜類化合物、酚類化合物、含氮化合物以及含硫化合物。根據最優(yōu)防御理論，植物通過將這些防御性代謝物集中在對其生存和繁殖至關重要的組織中，從而提升適應度。作為回應，植食性昆蟲進化出了多樣的抗性機制，例如行為上避開毒素、改變作用靶點、進行解毒代謝以及快速排泄等，以促進其在化學防御植物上的生長與發(fā)育。部分植食昆蟲擁有特定的腸道共生微生物，這些微生物能夠通過降解此類化學物質，幫助昆蟲抵抗植物毒素和殺蟲劑。

黑楊（Populus nigra L.）是許多歐洲國家具有重要經濟和生態(tài)價值的樹種。它含有豐富的酚類代謝產物，其中最主要的是原花青素、羥基肉桂酸酯和水楊苷類化合物（酚類糖苷）。水楊苷類化合物在黑楊葉片中含量很高，其濃度可達葉片干重的15%以上。然而，許多楊樹植食性昆蟲，如專食楊樹的葉甲——楊葉甲（Chrysomela tremulae），卻偏好取食水楊苷類化合物濃度達到峰值的幼嫩葉片。這種行為特化表明它們具備有效代謝這些防御化合物的能力，這也給黑楊人工林造成了重大的經濟損失。

為揭示其背后的機制，中國科學院昆明植物研究所植物化學與天然藥物全國重點實驗室彭惺蓉副研究員與德國馬普化學生態(tài)所團隊合作，以楊葉甲為模型系統(tǒng)，采用同位素標記結合靶向/非靶向LC-MS代謝組學，并輔以結構表征的方法，追蹤并確證salicortin的代謝途徑。在此過程中，首次發(fā)現(xiàn)了楊葉甲能夠利用必需氨基酸色氨酸及其分解產物（包括犬尿氨酸、犬尿酸和4-羥基喹啉）與水楊苷代謝物水楊醇形成新型結合物，最終通過蟲糞排出體外。水楊醇及其結合物對楊葉甲無毒害作用，類似代謝途徑在其他楊樹食草昆蟲中也得到證實。尤其是在親緣關系較遠的楊樹植食昆蟲Laothoe populi和 Saperda carcharias體內檢測到結合物，這表明了色氨酸輔助解毒機制的趨同進化。而鞘翅目的Saperda carcharias與鱗翅目的Laothoe populi在進化上已分離超過3億年，這一發(fā)現(xiàn)表明，這一代謝性狀是獨立起源的。

進一步的腸道微生物實驗分析表明，色氨酸代謝物-水楊醇結合物的形成不依賴腸道微生物，表明楊葉甲體內的酶可能參與了結合物的形成。因此，該研究說明植食昆蟲產生此類物質可能是其適應高水楊苷防御化合物飲食的關鍵策略，這一發(fā)現(xiàn)也為研發(fā)靶向抗蟲劑以保護柳科植物提供了新思路。

該工作以Leaf beetles employ tryptophan to detoxify the chemical defenses of poplar trees為題發(fā)表在國際知名期刊PNAS上。中國科學院昆明植物研究所邱明華研究員團隊彭惺蓉副研究員為論文第一及通訊作者，德國基爾大學的Sybille B. Unsicker為共同通訊作者，德國馬普化學生態(tài)所Jonathan Gershenzon教授、Martin Kaltenpoth教授、Michael Reichelt工程師和Ana Patricia Ba?os-Quintana博士參與了該項工作。上述研究工作得到了云南省科技廳基礎研究面上項目（No.202301AT070332）、云南省“興滇英才計劃”青年項目和國家留學基金項目的資助。

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文：彭惺蓉