2015-08-19
2015年7月31日，咖啡螟蟲基因組草圖在Nature子刊《Scientific Reports》發表；而在此之前半個多月，另一Nature子刊《Nature Communications》上也發表了文章，論述咖啡螟蟲腸道微生物是如何消化對其它大多數昆蟲來說都有較強毒性的咖啡因的。
咖啡是一種重要的經濟作物，據估計每天消費22.5億杯咖啡。兩種主要商用咖啡，一是中果咖啡（羅布斯塔咖啡，C. canephora，2n=2x=22），另外一種是阿拉伯咖啡（C. arabica， 2n=4x=44）。其中二倍體的中果咖啡，其全基因序列已于2014年發布，其中主要成分咖啡因的合成代謝途徑及進化史也已闡明。咖啡漿果螟（coffee berryborer：Hypothenemus hampei）是一種源自非洲中部的甲蟲，是咖啡作物危害最強的害蟲，70%的咖啡產國/地受其侵害。雌成蟲在咖啡果實端部鉆孔，蛀入果內產卵；卵、幼蟲、蛹均在果內完成發育，成蟲羽化后鉆出果實。該蟲主要為害成熟的果實及種子，不但破壞咖啡風味，嚴重時使咖啡減產90%甚至顆粒無收。但是長期以來，人們并不清楚這種害蟲的作用機理，因為咖啡因作為一種生物堿，通常是一種強效殺蟲劑，一般昆蟲是無法耐受的。不清楚咖啡漿果螟消化降解咖啡因的原理，自然也就無法有效地提供控制這種害蟲生長的措施。上述兩篇高分論文（主要作者為來自美國、墨西哥和沙特阿拉伯的研究人員）的發表，為解決該問題打開了一扇大門。
發表在《ScientificReports》上的這篇論文完成了對咖啡漿果螟基因組和轉錄組的測序。這是第3個被測序的鞘翅類昆蟲（甲蟲），其基因組大小約為163 MB，含19222個蛋白編碼基因。通過對重點關注的基因家族的分析，研究發現咖啡漿果螟基因組中含有大量和降解多糖和拮抗植物排異功能相關的基因（羧酸酯酶家族、細胞色素P450家族、谷胱甘肽s-轉移酶家族、ABC轉運蛋白家族等），其中部分是從細菌基因組中通過水平基因轉移而來；此外研究還在咖啡漿果螟基因組中發現了抗環戊二烯類殺蟲劑和抗微生物基因。這些基因對于咖啡漿果螟入侵咖啡果實及種子具有重要作用，因為咖啡種子中纖維素、半纖維素、膠質等含量較高；但是在咖啡漿果螟基因組本身中，卻沒有找到和咖啡因解毒（主要是通過去甲基化）相關的基因。
在《NatureCommunications》論文中，研究人員選取了來自全世界7個不同地區（涵蓋亞洲、非洲和美洲）的咖啡及咖啡漿果螟樣本。通過使用傅里葉紅外光譜監測咖啡因濃度，研究發現正常咖啡漿果螟的排泄物中檢測不出咖啡因；但是，如果咖啡漿果螟先被含廣譜抗生素（四環素、鏈霉素、利福平）處理過的食物飼養4周之后，再用不含抗生素的咖啡飼養，其排泄物中咖啡因含量和經漿果螟消化之前相同，也就是說處理組喪失了消化咖啡因的能力，而且漿果螟生長發育情況也明顯比對照組差。這些來自不同地區的漿果螟，其腸道微生物組成變化主要是和咖啡種類相關，因為兩種主要咖啡的重要區別就是咖啡因含量不同，因此口味也不太相同；但不管來自何處，漿果螟腸道微生物都主要由假單胞菌、腸桿菌等組成，其中尤以黃褐假單胞菌（Pseudomonas fulva）所占比例最高，該菌基因組中含有ndmA基因，編碼咖啡因脫甲基酶，并且通過RT-PCR驗證該酶確實表達。與此相反，幾種不能消化咖啡因的甲蟲及其腸道微生物中都沒有發現這種酶。前述經廣譜抗生素處理4周后的漿果螟，用含有黃褐假單胞菌的基本飼料飼養1周后再用無菌基本飼料喂養，雖然生長發育情況沒有恢復，但消化降解咖啡因的能力卻完全恢復。這些實驗都表明，咖啡漿果螟消化降解咖啡因，靠的就是其腸道微生物，尤其是其中的黃褐假單胞菌。
因此現在我們就基本清楚咖啡漿果螟的生存之道了：宿主和腸道微生物協同作用，宿主負責降解咖啡種子中富含的多糖，腸道微生物負責降解咖啡因，所以這種昆蟲才能完全寄生在咖啡果實種子中。該研究再次證明了宿主和腸道微生物共生共進化的關系。上述兩篇重要論文的發表，揭示了咖啡漿果螟利用并耐受咖啡因的機理，為科學防治這種害蟲，提高咖啡產量提供了理論依據。
（本文由石憶湘博士整理）
原文檢索：
Ceja-Navarro, J. A.et al. Gut microbiotamediate caffeine detoxification in the primary insect pest of coffee. Nat. Commun. 6:7618，doi: 10.1038/ncomms8618 (2015).
Vega, F. E. et al. Draft genome ofthe most devastating insect pest of coffee worldwide: the coffee berry borer, Hypothenemus hampei . Sci. Rep. 5, 12525; doi:10.1038/srep12525 (2015).
