《Frontiers in Plant Science》：Harnessing entomopathogenic nematodes for sustainable pest management: mechanisms, challenges, and innovations
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本综述系统阐述了昆虫病原线虫（EPNs）作为重要生物防治剂的研究进展，重点聚焦于其与共生细菌（Photorhabdus/Xenorhabdus）的协同致病机制，包括宿主定位（如对CO2和HIPVs的趋化性）、免疫抑制（如通过Kunitz型蛋白酶抑制剂Sc-KU-4和细菌毒素抑制酚氧化酶原级联反应和Toll/IMD通路）以及环境适应性（如海藻糖积累和滞育）。文章深入探讨了当前EPNs大规模商业化面临的高生产成本、制剂不稳定性和环境限制等挑战，并展望了通过纳米载体封装、CRISPR/Cas9基因编辑及AI驱动的精准施药系统等创新策略提升其田间性能的未来方向。
昆虫病原线虫（EPNs），特别是 Heterorhabditis 和 Steinernema 属，因其能与昆虫病原细菌（Photorhabdus 和 Xenorhabdus）建立专性共生关系，高效感染并杀死多种昆虫害虫，而被日益视为强有力的生物防治剂。随着农业向更具再生性和环境可持续性的系统转变，全面理解EPNs的生物学特性、分子作用机制及其生态互作潜力，对于开发有效的害虫抑制策略至关重要。
分子机制对昆虫感染的影响
宿主定位、觅食策略与入侵
成功感染始于宿主定位，该过程由化学、物理及其他环境线索介导。关键的化学线索包括BAG感觉神经元检测的嗅觉信号，如昆虫呼吸产物CO2。在 Heterorhabditis bacteriophora 中，BAG神经元的损毁会使其对大蜡螟（Galleria mellonella）的趋化性消失，证实了BAG神经元在宿主定位中的关键作用。此外，EPNs也对草食动物诱导的植物挥发物（HIPVs）产生反应，例如香芹酮能激活 Steinernema carpocapsae。
EPNs的觅食策略可分为巡航型（如 H. bacteriophora）和埋伏型（如 S. carpocapsae）。巡航型线虫追踪长距离的化学、振动和电信号，而埋伏型则通过“抬头”行为（nictation）拦截移动宿主。昆虫运动或根部损伤产生的电场能引发物种特异性的定向反应，例如巡航型 Steinernema glaseri 趋向高电势，而埋伏型 S. carpocapsae 则被低电势吸引。在有机质丰富的土壤中，化学梯度可能被破坏，昆虫运动产生的地震信号有助于宿主探测。
定位后，宿主入侵是感染过程中的关键且常具挑战性的一步。EPNs通过自然开口（口器、气门、肛门）或直接穿透昆虫体壁进入宿主体内，穿透途径具有物种和宿主特异性。
克服昆虫免疫系统
侵入宿主后，EPNs的存活依赖于其通过与共生细菌协同作用来规避宿主免疫的能力。侵入血腔后，感染期幼虫（IJs）会蜕去第二期角质层，暴露出动态表面涂层，该涂层能掩蔽免疫原性表位并释放小的免疫调节分子，这是一种早期的免疫逃避策略，可抑制宿主识别并为细菌的释放和定植做好准备。
在血腔内，IJs通过排泄-分泌腺释放效应分子，靶向体液和细胞免疫。其中重要的效应物包括抑制酚氧化酶原（pro-PO）级联反应的蛋白酶，从而阻断黑化和结节作用。同样，一种Kunitz型蛋白酶抑制剂（Sc-KU-4）能破坏血细胞的包裹和聚集。这些作用诱导瞬时的免疫麻痹，为共生细菌的释放和增殖创造有利条件。
从线虫肠道释放后，共生细菌通过多种分子途径加强和扩展对宿主的抑制。例如，共生细菌 Xenorhabdus nematophila 通过抑制二十烷类生物合成来抑制Toll和IMD（免疫缺陷）信号通路，从而阻止抗菌肽（AMPs）如天蚕素和溶菌酶的产生。此外，Xenorhabdus 的细胞外蛋白酶能降解已存在的AMPs，从而增强体液抑制。同样，共生菌 Photorhabdus luminescens 和 X. nematophila 分泌rhabduscin（一种酚氧化酶抑制剂）抑制黑化作用，并产生Mcf家族毒素诱导血细胞和肠道上皮细胞死亡。Serralysin型蛋白酶（如PrtA）进一步降解免疫相关蛋白，增强系统性感染。这些事件最终导致体液和细胞防御崩溃，引发目标宿主快速败血症。
胁迫耐受机制与环境持久性挑战
胁迫耐受与环境持久性
EPNs在环境中遭遇生物和非生物胁迫。其中，极端温度、干燥和紫外线辐射是主要的非生物挑战，而微生物拮抗剂则是主要的生物威胁。EPNs的田间效能很大程度上取决于其抵御多种生物和非生物胁迫的能力。环境持久性还取决于胁迫耐受机制（可能具有物种或品系特异性）以及与土壤类型和合适宿主可用性的互作。
IJs通过积累海藻糖和降低代谢活动来适应热胁迫。尽管IJs具有降低脂质储备的机制，但物种间在代谢调整方式上存在差异。例如，Heterorhabditis megidis 减少参与代谢和蛋白质合成的蛋白质产生，而 Heterorhabditis carpocapsae 则下调参与中间代谢和氧化磷酸化的蛋白质。
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在严重脱水条件下，IJs进入脱水休眠状态，并合成渗透调节分子，如热稳定水胁迫相关蛋白（DESC47）和热休克蛋白（HSP40）。在 Steinernema feltiae 中，干燥诱导海藻糖含量增加两倍。此外，还观察到酪蛋白激酶（CK2）的诱导，推测其参与核小体组装蛋白（NAP-1）的转录激活。
制剂与应用
EPNs的成功商业化取决于其制剂形式和处理方式。为提高EPNs的货架期和效能，已采用多种载体进行制剂化，如液体浓缩液、藻酸盐凝胶、水分散粒剂、合成海绵和蛭石，通过农用喷雾器或灌溉系统以水悬液形式施用。
利用EPNs感染的昆虫尸体作为天然载体已被探索。从受感染宿主中羽化出的IJs能在土壤中有效扩散，具有高感染力，并且比悬浮液施用的线虫能提供更好的害虫防治效果。然而，尸体作为扩散载体的可靠性受限，因为它们在生产和储存过程中会干燥和破裂。
最近的进展集中在改善常温下的稳定性。例如，研究证明，几种EPN物种封装在钙-藻酸盐微珠中，在实验室条件下于室温下可存活达三个月。类似地，水凝胶和乳液胶囊被证明能在实验室和田间条件下改善 S. feltiae 对黄粉虫甲虫（Tenebrio molitor）的持久性。其他研究也证明，封装在藻酸盐凝胶和亲水胶体中可以保护IJs免受干燥和紫外线胁迫。此外，羧甲基纤维素（CMC）已成为EPNs制剂的有效基质，特别是对 S. carpocapsae。
即使在制剂方面取得成功，有效性最终取决于正确的处理和田间施用。在施用过程中，IJs会遭受应激，如罐内沉降、喷嘴剪切或压力损伤，以及施用后干燥致死。近年来已配制出几种助剂和表面活性剂以提高效率。添加黄原胶或卡拉胶导致在80%相对湿度（RH）下昆虫死亡率增加两倍，在60% RH下增加五倍，而0.3%黄原胶或卡拉胶与0.3%表面活性剂的混合物进一步提高了 S. carpocapsae 对小菜蛾幼虫的叶面施用效果。类似地，S. carpocapsae 配制在烷基多糖苷聚合物表面活性剂中，在处理后两周内减少了番茄潜叶蛾（Tuta absoluta）幼虫种群。然而，这些助剂或表面活性剂的效能并不总是稳定可靠。例如，有些能延长寿命并增强宿主入侵，而其他的则会降低感染性。
未来方向与机遇
鉴于对更安全食品和环境可持续害虫管理实践日益增长的需求，EPNs的商业潜力正在扩大。解决其局限性需要更侧重于影响EPNs表现的生物和生态因素。系统筛选本地EPN分离株，结合制剂优化，可以进一步增强持久性，同时减少对保护性封装材料的依赖。
除了品系选择，EPNs、其细菌共生体与土壤微生物群落之间的互作可能影响EPNs效能。然而，其潜在机制仍知之甚少。因此，对具有对比EPNs效能的土壤进行微生物群落的宏基因组分析，可以识别促进EPNs成功或抑制其活性的微生物类群，从而能够设计可与EPNs共接种的合成微生物群落，以预处理土壤环境，确保在非本地土壤中取得更高成功率。
天然品系效能有限或遗传多样性不足的问题，可以通过基因组辅助育种和分子遗传学方法解决，包括诱变、转基因和靶向基因修饰。选择性育种可能引入适应性权衡。未来开发宿主特异性EPNs的努力可能将其效能扩展到土栖昆虫之外，应用于各种作物系统中的目标害虫。应用精确的先进基因工程技术如CRISPR/Cas9，为通过靶向修饰增强EPNs环境韧性提供了一条途径。
通过可生物降解聚合物和纳米载体回收IJs的最新进展，正成为增强EPNs在各种田间胁迫条件下性能和耐受性的有前景的工具。例如，藻酸盐-淀粉水凝胶提高了 S. feltiae 在不同水分条件下的持久性和感染性，而基于二氧化钛的Pickering乳液使 S. carpocapsae 存活达120天。未来的研究应优先发展基于精准度的递送系统，使线虫释放与害虫物候和 prevailing 小气候条件同步，而不是传统的喷雾施药。
结论
总之，EPNs为可持续害虫管理提供了一条充满希望的途径，为合成化学防治提供了生物学上稳健的替代或补充方案。在基因组学、纳米技术和微生物生态学见解的支撑下，制剂、品系选择和施用技术方面的持续创新，对于增强其在田间条件下的持久性和可靠性至关重要。基于组学的EPNs基因和调控通路发现可以指导更精确、靶向性的品系性能改进。然而，应考虑增强性状之间的潜在权衡。未来的创新还应侧重于生态互作以及开发将EPNs与有益微生物整合的策略，以增强EPNs在田间部署中的持久性、感染性和品系稳定性。
