黑胸散白蚁抵御绿僵菌侵染的主动免疫调控机理研究

Termites have evolved a range of disease defenses at the individual and colony level, but immune mechanism about disease defenses against pathogens in termites has not been fully understood. Our preliminary work shows that termites can use “active immunization” similar to “inoculation” in humans to defend against Metarhizium anisopliae. However, regulating mechanism associated with active immunization against M. anisopliae in termite remains unknown. Therefore, we will use the termite Reticulitermes chinensis as research material and M. anisopliae as pathogenic fungus to investigate cellular immune response for active immunization based on melanization, encapsulation and phagocytosis of hemocytes in termites. Regulating effect of the three nutrient substances (theronine, sugarcane and vitamin B2) on active immunization of termites will be analyzed by antifungal activity of termite, internal infective doses of M. anisopliae and mortality of termite. We selected histone H1 as a candidate immune protein through proteomics analysis. After the total cDNA sequence of histone H1 gene is cloned, regulating role of histone H1 gene on active immunization of termite will be determined using RNAi. Additionally, we will carry out prokaryotic expression of histone H1 gene and then examine antifungal activity of histone H1 on M. anisopliae. These results are helpful to reveal mechanism of active immunization against M. anisopliae in termites, and can provide new thought for improving control efficiency of M. anisopliae against termites in the field.

白蚁在个体和群体水平上已进化出一系列的疾病防御策略，但白蚁利用这些防御策略抵抗病原物侵染的免疫机制却很少被了解。申请人前期研究发现，白蚁使用类似于“人痘接种”的“主动免疫”抵御绿僵菌的侵染，但是白蚁应用这种主动免疫抵御绿僵菌侵染的调控机理尚不清楚。鉴于此，本项目以黑胸散白蚁为材料，以绿僵菌为致病真菌，从血细胞的黑化反应、包囊作用和吞噬作用三个方面分析白蚁启动主动免疫过程中的细胞免疫反应。以白蚁抗菌活性、体内染菌量和死亡率为指标分析苏氨酸、蔗糖和维生素B2对主动免疫的营养调控作用。前期蛋白质组学研究筛选组蛋白H1为免疫相关候选蛋白，在克隆组蛋白H1基因全长cDNA的基础上，利用RNAi检测组蛋白H1基因对白蚁主动免疫的调控作用，进行组蛋白H1基因的原核诱导表达，并检测组蛋白H1对绿僵菌的抗菌活性。研究结果有助于揭示白蚁抵御绿僵菌侵染的主动免疫机制，并为提高绿僵菌野外防治白蚁效果提供新思路。

白蚁严重危害房屋、堤坝和农林植物，威胁人们的生命和财产。利用生防菌杀灭野外白蚁巢体的效果较差，这和白蚁独特的疾病防御机制有关。研究发现，白蚁通过接触传染源“接种”少量病原菌，进而在不引起死亡的情况下激活免疫系统，提高抗菌能力。这种主动免疫策略极大地削弱了生防菌的杀灭效果。因此，本课题以黑胸散白蚁Reticulitermes chinensis和金龟子绿僵菌Metarhizium anisopliae为研究材料，在行为、生理、细胞和分子水平上研究白蚁主动免疫的调控机理。研究结果表明，运用RNAi技术沉默IDH-α基因后，白蚁体内IDH-α的mRNA水平和蛋白表达量均显著下降，异柠檬酸和NADH水平显著变化，表明白蚁体内TCA循环中的NAD+-IDH反应受损。沉默IDH-α基因还会导致白蚁体内糖原、葡萄糖、丙酮酸、乳酸、甘油三酯以及糖代谢相关离子的显著变化；精氨酸、脯氨酸、甘氨酸、赖氨酸、亮氨酸和异亮氨酸均显著降低，并且尿酸和尿素显著增加。这些结果表明抑制IDH-α基因表达可以导致白蚁机体发生代谢紊乱。此外，沉默IDH-α基因后，受菌同伴白蚁的抗菌活性显著下降，死亡率显著增加，表明白蚁主动免疫被打破。进一步研究发现，沉默IDH-α基因后，受菌同伴白蚁体内凋亡相关基因（Caspase 1、Caspase 3、Caspase 8和TNF-α）显著上调，Caspase 3酶活显著上升，ATP含量显著下降；受菌同伴白蚁头部、胸部、腹部和肠道的凋亡细胞数量明显增多，细胞凋亡比率显著升高，肠道菌落单位数量显著升高。上述结果表明，抑制IDH-α基因表达不仅可以导致白蚁代谢紊乱，而且引起细胞过度凋亡，使得白蚁肠道更易被绿僵菌侵入，造成感染水平的升高和抗菌活性的降低，进而引起白蚁死亡，由此打破白蚁主动免疫。课题研究结果还表明，主动免疫期间，受菌同伴白蚁血细胞总数显著增加，表明细胞免疫可能参与了白蚁主动免疫。高浓度葡萄糖喂食白蚁，可以增加受菌同伴白蚁对绿僵菌的敏感度，进而导致白蚁死亡率上升。以上结果理论上丰富了昆虫社会免疫学理论，实践上为提高绿僵菌野外防治白蚁效果提供了新思路。

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