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陈剑平院士团队在《自然通讯》发表昆虫抵御病原生物的最新研究成果

近日,《Nature Communications》发表题为“Biomineral armor in leaf-cutter ants”的研究论文,首次在切叶蚁外骨骼上发现了一层致密的生物高镁方解石(high-Mg Calcite)构成生物矿物骨骼。该生物矿化骨骼可显著增强工蚁外骨骼的强度,为种间竞争和抵抗病原菌侵染提供防御功能。宁波大学植物病毒学研究陈剑平院士研究团队的李鸿杰研究员为第一作者,美国威斯康星大学麦迪逊分校教授Pupa U.P.A. Gilbert和CameronR. Currie为共同通讯作者。

生物矿物最早出现于5.5亿年前的早期寒武纪时期,其作为生物体中主要的生物无机物,发挥着结构支撑、抵御天敌和病原微生物等重要功能,广泛存在于生命体中。小至细菌,大至珊瑚虫栖息的珊瑚石,软体动物的外壳,直至高等动物和人的骨骼和牙齿等。现已发表的生物矿物超过七十余种,其中碳酸钙最为常见。碳酸钙在动物中、特别是节肢动物门的甲壳纲中(包括虾、蟹等),参与内外骨骼的形成。然而,昆虫作为地球上种类最为丰富的动物类群,生物矿化现象至今仍未见报道。

本文首先通过扫描电镜观察到切叶蚁的上表皮覆盖着一层生物矿物层,并通过同步光源辐射、X射线衍射等表征检测技术,证实该矿物为高镁方解石(high-Mg Calcite)。对比不同发育节点的工蚁发现,工蚁在成虫后6天外表还未形成生物矿物层,成虫八天后生物矿物层迅速积累,且呈连续分布,直至覆盖整个体表。体外合成实验表明,切叶蚁的上表皮可催化的生物矿化晶体形成和生长。通过力学强度实验检测,表明高镁方解石所形成的生物矿物层,可在仅增加表皮厚度7%的条件下,将表皮硬度提升了一倍。从而,有效提高工蚁与其他蚂蚁“战斗”后的存活率,以及提高抵御昆虫病原真菌感染的能力。

进一步开展切叶蚁生物生物矿化的相关研究,不仅有助于解析高效合成高镁方解石的生物学基础,同时也为未来、设计开发新型生物材料提供理论支撑。该论文受到了《Nature》杂志资深编辑Rosamun Daw博士关注,在“Research           Highlight Section”栏目上进行了重点评述。

论文连接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-19566-3

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