科学:《相爱相杀》——天然化学合成体如何和昆虫玩游戏？

来源：微植有道2022-03-08 08336041

与动物不同的是，植物在面临天敌威胁时，不能主动逃避以避免伤害。因此，在漫长的自然驯化选择中，植物发展出一套抵御“敌人”的专属手段——产生次生代谢产物，不同种类的化合物可以击退不同的昆虫/吸引昆虫天敌靠近，从而保护自己免受大规模昆虫带来的危害，这也使植物被称为“天然化学合成者”。其中，植物为躲避非寄主昆虫而释放的化学分子还没有被

与动物不同的是，植物在面临天敌威胁时，不能主动逃避以避免伤害。因此，在漫长的自然驯化选择中，植物发展出一套抵御“敌人”的专属手段——产生次生代谢产物，不同种类的化合物可以击退不同的昆虫/吸引昆虫天敌靠近，从而保护自己免受大规模昆虫带来的危害，这也使植物被称为“天然化学合成者”。其中，植物释放的用于击退非寄主昆虫的化学分子尚未被发现和鉴定。

抗虫激素减少虫害。

蝉是一种在世界范围内造成巨大农业经济损失的害虫。它因其广泛的危害和传播植物病毒和其他病原体的能力而臭名昭著。目前，世界上有1万多种叶蝉科昆虫，我国已发现1000多种。早在2004年，德国马克斯普朗克化学生态研究所的Baldwin教授团队就发现，在自然条件下，假眼小绿叶蝉科的小叶蝉不会以其非寄主植物attenuata烟草为食，但当烟草中的抗虫激素茉莉酸被分子生物学降低时(右图)，小叶蝉会对烟草造成很大的危害。

这表明茉莉酸及其调控的代谢产物合成途径很可能是植物抵御非寄主昆虫的手段。经过10多年的探索，鲍德温团队终于发现了背后的奥秘。

昆虫抗性相关基因和代谢产物的发现

为了还原叶蝉在自然界取食的真实情况，团队首先在美国亚利桑那州进行了野外实验，种植了来自26个不同亲本的650个不同背景的重组自交系。发现一些不能合成茉莉酸的品系会引起叶蝉的危害，与他们的上述结果一致。

接下来，团队分析了这一庞大的田间数据，发现茉莉酸合成与调控途径中的许多基因和代谢产物与叶蝉的危害程度呈负相关(右侧蓝色方块)，这表明它们都可能增强植物对叶蝉的抗性。然后，团队认为植物合成的三种化学分子CP、CoP和FP(右边红框)是植物对抗非寄主昆虫的关键代谢产物。

然而，当这三种化合物单独喂食昆虫时，发现它们无法吸引昆虫进食或导致后者死亡率增加，这表明还有其他更重要的未知化合物在起作用。

抗虫杀手——cph

为了探究这种未知化合物的真实面貌，作者利用前期团队搭建的串联质谱平台，选取了15株已知产生大量抗虫化合物的菌株进行分析，从上述化合物之一的CP中发现了一种未知化合物，其m/z为347.19。与CP相比，这种未知化合物多了一个具有绿叶挥发物性质的化学基团，绿叶挥发物一般被认为具有广泛的驱虫性，初步显示了这种化合物的抗虫性。因此，作者重点研究了这种化合物，并根据其来源和组成将其命名为CPH。

那么CPH是在植物抗虫性中起作用的“它”吗？因此，作者进行了一系列的相关分析和分子实验。结果表明，CPH与叶蝉的危害呈负相关，与茉莉酸及其活性形式呈正相关。同样的饲养实验发现，与CP不同，CPH可以导致大量蝉死亡，这些可喜的结果最终揭开了植物杀手的神秘面纱。

假设这种化合物如果能够人工合成，用于大规模农业害虫防治，就可以制成天然高效的植物源农药，可以广谱降低害虫的威胁。因此，作者团队尝试用合成生物学的方法在体外重构该化合物。

抗虫CPH的体内外合成

化合物的合成过程通常需要各种底物和酶。CPH一部分来自CP，另一部分来自绿叶挥发物。因此，只需要确定酶的种类来重建化合物。因此，团队利用mQTL和DNA芯片技术，找到了一系列与抗虫合成途径相关的酶。在底物和酶的参与下，作者成功地在体外合成了重要化合物CPH。

然而，有趣的是，当CPH在异源植物番茄和蚕豆中表达和合成时，如果没有小檗碱桥酶BBL2的参与，就不能检测到CPH。然而，体外合成过程不需要BBL2的参与。这个有趣的现象目前还没有解决的办法，但有研究表明BBL2有助于烟碱合成过程中介质从线粒体向细胞质的转移，BBL2在这里是否起着类似的作用，值得今后进一步探索和发现。

至此，团队成功发现并合成了植物抗非寄主昆虫的关键化合物，为作物抗虫性研究提供了很好的应用出路。(100yiyao.com)

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