Паразитический гриб с геном сосны уничтожает комаров — переносчиков заболеваний

Традиционные методы борьбы с комарами — переносчиками заболеваний основаны на химических инсектицидах, однако у комаров развивается к ним устойчивость. Многообещающей альтернативой являются грибы рода Metarhizium, известные своей способностью убивать даже устойчивых к инсектицидам комаров. Однако эффективность такой меры борьбы зависит от уровня инфицирования, а существующие методы нанесения спор обеспечивают лишь умеренное заражение и непригодны для применения в открытых пространствах. Авторы статьи в Nature Microbiology задались целью разработать более надежный метод. 

Ранее было замечено, что гусеницы, погибшие от грибковой инфекции, привлекают комаров, но механизмы этого явления оставались неизученными. Ученые проанализировали трупы личинок большой восковой моли (Galleria mellonella), колонизированные грибом Metarhizium robertsii, чтобы выявить летучие органические соединения (ЛОС), которые привлекают насекомых. Они обнаружили, что в личинках, покрытых спороносящим мицелием (возрастом 6 дней и старше), постоянно выделялись три таких соединения: (+)-лонгифолен (longifolene), (+)-сативен и (−)-геосмин. При этом 50-дневные трупы личинок выделяли примерно в три раза больше лонгифолена, чем более свежие образцы, а в контрольных незараженных личинках его выделения не происходило вовсе. 

Опыты на личинках плодовой мушки Drosophila melanogaster подтвердили, что лонгифолен является аттрактантом для насекомых и действует дозозависимо. Колонизированные грибом трупы привлекали широкий спектр видов насекомых, включая личинок G. mellonella, взрослых D. melanogaster и взрослых комаров Aedes albopictus.
Для дальнейшего исследования авторы получили мутантных D. melanogaster. На мушках, лишенных корецептора одорантов Orco, ученые подтвердили, что привлекающий насекомых эффект лонгифолена полностью зависит от обоняния. С помощью CRISPR-Cas-нокаута они также показали, что для реакции личинок на лонгифолен необходимы рецепторы Or43b и Or74a. 

С помощью РНК-интерференции ученые идентифицировали у комаров A. albopictus ортолог Or43b, который назвали LOR (longifolene receptor) — он оказался ключевым рецептором лонгифолена у комаров. Комары, у которых была подавлена экспрессия LOR или Orco, теряли интерес как к чистому лонгифолену, так и к колонизированным грибком трупам.
Однако модельный штамм M. robertsii был слабо вирулентен для комаров, а для массового производства спор требовался дешевый субстрат (например, смесь пшеничных отрубей, риса и рисовой шелухи — BRH). Поэтому авторы задались целью создать более эффективный для широкого применения штамм. За основу они взяли M. pingshaense (TM1), высоколетальный для комаров, но не синтезирующий лонгифолен. Они генетически модифицировали этот штамм, внедрив ген синтазы лонгифолена (Tps) из сосны (Pinus sylvestris). Полученный трансгенный штамм Mp-Tps был способен производить лонгифолен. 

Результаты показали, что Mp-Tps, выращенный на субстрате BRH, производил значительное количество лонгифолена (97,6 нг/г культуры/час). Культуры Mp-Tps на BRH были значительно более привлекательны для комаров A. albopictus обоих полов, чем культуры дикого типа. За счет этого модифицированный штамм обеспечивал более высокую инокуляционную нагрузку (количество спор на комаре) и убивал комаров примерно в 1,4 раза быстрее, чем дикий тип. 

Исследователи оценили эффективность Mp-Tps против трех видов комаров — A. albopictus, Anopheles sinensis и Culex pipiens, в больших клетках и в крупном помещении (площадью 6,5 × 5,5 × 3 м), имитирующем реальные условия. Они провели опыты, в которых конкурирующие запахи могли бы снизить эффективность приманки: запах человека (спящие добровольцы) и запах привлекательных для комаров цветущих растений (Ruellia brittoniana). 

Оказалось, что присутствие человека не оказало существенного негативного влияния на способность Mp-Tps привлекать и уничтожать комаров обоих полов. Однако привлекательные для комаров цветущие растения (источники нектара — единственной пищи для самцов) снизили инокуляционную нагрузку Mp-Tps более чем в 4 раза. Несмотря на эту конкуренцию, Mp-Tps по-прежнему убивал 91–100% комаров. Этот показатель значительно превышает порог в 80%, рекомендованный Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) как характеристика эффективного средства борьбы с переносчиками болезней. 

Это исследование имеет фундаментальное значение, поскольку оно впервые раскрыло механизм активного распространения спор у энтомопатогенного гриба широкого спектра действия M. robertsii. Вопреки ранее принятым представлениям о том, что такие патогены-генералисты распространяются пассивно (ветром, дождем или случайными животными), M. robertsii активно использует летучие аттрактанты, такие как лонгифолен, чтобы приманивать новых хозяев к своим колониям. Таким образом, манипулирование поведением членистоногих свойственно не только узкоспециализированным патогенам. 

Создание штамма Mp-Tps, который вырабатывает лонгифолен на недорогом субстрате BRH, может стать экономически выгодной и высокоэффективной стратегией. Споры Mp-Tps выполняют двойную роль — они служат как приманкой, так и микоинсектицидом, — а лонгифолен безопасен для человека и растений. 

Исследователи отмечают, что, хотя лонгифолен привлекает широкий спектр насекомых, риск негативного экологического воздействия мал, поскольку Mp-Tps сохраняет предпочтение к комарам, а споры на одиночных мертвых комарах выделяют минимальное количество аттрактанта. Однако для всесторонней оценки экологической устойчивости и воздействия на нецелевые виды насекомых необходимы полномасштабные полевые испытания.

Ученые ускорили развитие личинок комаров, заразив их бактериями