科学:科学家发现了植物抗主要农业害虫蝉的化学创新和奥秘

来源：中国生物技术网2022-02-07 08:32

中国科学院分子植物科学卓越创新中心和德国马普化学生态研究所的李大鹏研究团队首次揭示了植物是如何巧妙地组装其特定代谢物来应对主要农业害虫蝉的非寄主抗性机制的。这一成果在线发表在国际知名学术期刊《科学》上，作为一篇题为“自然历史——引导组学揭示植物防御机制”的封面论文

中国科学院分子植物科学卓越创新中心和德国马普化学生态研究所的李大鹏研究团队首次揭示了植物是如何巧妙地组装其特定代谢物来应对主要农业害虫蝉的非寄主抗性机制的。题为“自然历史-引导组学揭示植物防御化学对抗叶蝉害虫”的研究论文作为封面论文在线发表在国际知名学术期刊《科学》上。这一成果不仅为探索植物与昆虫的相互作用开辟了一种新的自然历史驱动的多组学分析方法，也为植物特异性调度其化学“防御屏障”抵御昆虫攻击提供了全新的代谢视角，是植物非寄主抗多食性昆虫研究的重大突破。同时，本研究首次将合成生物学的手段应用于作物对植物非寄主抗性的代谢转化，为农业精准绿色防控技术提供了全新的可行应用方案。

植物是天然有机合成的专家。因为它们固定在陆地上，所以不能像动物一样逃脱伤害。因此，植物进化出结构复杂多样的特定代谢产物，以适应其复杂多变的生活环境。我们对植物特有代谢产物的化学结构、生物合成途径、生理生态功能，以及它们在自然界中如何发挥作用的深入分析和认知，是我们破译植物“化学语言”，揭示植物在逆境中如何安排和调度其复杂的“代谢武器”在自然界中生存的关键，也是我们理解生物化学本质的核心。然而，由于植物代谢组学的复杂性和多样性，大多数植物代谢产物的结构和功能仍然未知。

小绿叶蝉是一种世界性害虫，严重危害农作物。它的寄主范围广，繁殖率高。更为严重的是，小绿叶蝉可传播多种植物病毒，每年造成严重的农作物减产和经济损失。目前的防治方法是大量喷洒农药，但防治效果有限，成本较高。目前，植物的非寄主抗性主要集中在植物病原菌的互作上。由于昆虫在取食上的高度自主性，植物对昆虫的非寄主抗性机制仍不清楚。茉莉是植物抗虫的关键激素。以往的研究发现，叶蝉窃听植物茉莉激素的合成和反应能力，从而特异性地选择茉莉含量低的植物作为自己的寄主。然而，在茉莉下游的调控下，直接发挥抗性功能的代谢产物尚不清楚。

本研究中，研究团队在田间共种植了26个亲本杂交产生的1816个重组自交系。这些自交系具有不同的遗传背景，可用于叶蝉的“窃听”和寄主选择。当叶蝉自由攻击这些植物时，它们的攻击率可以用来帮助确定从非寄主植物向寄主植物转化的遗传因素。本研究采用自然历史驱动的正向遗传学结合反向遗传学、转录组学和非靶向结构代谢组学的新分析方法，鉴定了一种新的植物特异性代谢物，即植物对叶蝉非寄主抗性的关键化合物，命名为CPH。有趣的是，这种化合物是由非常规的茉莉素JAZi特别调节的。研究发现，只有当植物受到叶蝉而不是其他昆虫的攻击时，JAZi才会在被攻击的叶子中特异性表达，激活它调节的CPH合成。进一步发现该化合物是由一个AT1乙酰转移酶、两个多酚氧化酶PPO1和PPO2以及一个小檗碱桥酶BBL2合成的。该化合物巧妙地浓缩了三条代谢途径，其中一条是由植物绿叶挥发途径组成的关键合成途径，是植物挥发性间接防御的核心途径，而另外两条途径则参与了植物直接防御物质的合成。因此，本研究首次分析了植物的直接和间接防御途径是如何巧妙地“说话和调度”来合成其代谢武器的。最后，研究团队利用合成生物学手段将这一代谢途径整合到番茄、蚕豆等作物中，设计出对叶蝉非寄主选择具有高抗性的作物。(100yiyao.com)

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