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微生物所葉健團隊揭示紅光調控植物抗蟲媒病毒新機制

作者: 發布時間:2021.01.12 文章來源:

  病害三角(disease triangle)是描述疾病流行規律的理論,該理論指出病害三要素為致病病原生物、易感宿主和適合的環境條件三者相互作用才能引起侵染性病害。已知超過1480種植物病毒中,近80%由媒介昆蟲傳播,植物蟲傳病毒是制約我國農作物高產穩產的主要因素之一。以往作物病毒病害的研究注重于病毒和植物宿主兩個方面,而實際上參與病毒傳播、病害發生的因子還有傳毒媒介昆蟲以及光照、溫度、氣候、生物周期節律等環境因子。作為人類賴以生存的最重要生化反應,植物光合作用主要吸收紅光和藍紫光并存儲為化學能,最終為人類和其他動物提供必需的食物和能量。光作為主要的環境因子,不僅調控植物生長發育的每個環節,而且同病害的流行爆發緊密相關。然而光是如何影響植物抗病性,病原微生物又是如何適應宿主抗性機制從而促進自身的傳播等問題,尚亟待得到科學解答。 

   

  番茄黃化曲葉病毒引起北京地區常見的番茄病毒病 

  

    近日,中國科學院微生物所葉健課題組在PLoS Pathogens在線發表了題為Red-light is an environmental effector for mutualism between begomovirus and its vector whitefly的研究論文。該研究發現植物雙生病毒衛星DNA編碼的βC1蛋白可以通過靶向光信號途徑的PIF轉錄因子家族調控的蟲媒病毒抗性,促進蟲媒病毒的快速傳播,揭示了光調節雙生病毒-煙粉虱-植物三者互惠共生的新機制。 

 

  本研究在前期工作的基礎上,進一步以雙生病毒中國番茄黃化曲葉病毒TYLCCNV與衛星DNA形成的侵染復合物為研究對象,發現雙生病毒衛星感病植物和對媒介昆蟲煙粉虱的吸引作用只有在光照條件下才會發生,而在黑暗條件下不會發生(圖1A1B)。已有研究表明βC1是病毒編碼的關鍵決定因子,進一步利用單色光LED燈箱進行昆蟲雙選擇實驗,發現βC1轉基因植物只有在紅光和含有紅光的白光條件下發生,而在黑暗、遠紅光和藍光條件下沒有顯著差異 (1C)。煙粉虱等大多數昆蟲的視覺系統缺乏紅光受體,是“紅色色盲”,所以這種光依賴的煙粉虱選擇行為改變主要是病毒感染植物后影響了昆蟲嗅覺識別植物。 

   

  1 紅光促進βC1介導的煙粉虱取食植物偏好 

  (A) 煙粉虱在光照下取食偏好雙生病毒感染植物。(B) 光照和黑暗條件下健康植物和感病植物對煙粉虱的吸引作用。(C) 不同單色光條件下對照和βC1過表達植物的煙粉虱雙選擇實驗。 

 

  當植物受到昆蟲取食后,會產生一系列的化學揮發物來調控昆蟲的行為來趨避食草昆蟲,其中萜烯類化合物 (Terpenes) 是植物揮發物中最豐富的一類化合物,研究報道部分倍半萜和單萜會趨避昆蟲。該研究通過酵母雙雜交篩選實驗鑒定到光信號中的關鍵蛋白光敏色素互作蛋白 (PHYTOCHROME-INTERACTING FACTOR 3, PIF3) 可以與βC1蛋白互作,進一步Co-IP實驗證明PIF3βC1在光照和黑暗條件下均可以在植物體內互作 (2A)PIFs蛋白可以直接結合萜烯合酶 (Terpene synthaseTPS) 基因的啟動子促進其轉錄 (2B2C),因此在PIF過表達的植物中,介體昆蟲煙粉虱的產卵量減少、偽蛹發育緩慢 (2D2E),說明PIFs蛋白具有直接的抗蟲作用。通過競爭性BiFCpull-down實驗發現βC1蛋白可以通過干擾PIF蛋白二聚體的形成不同程度的抑制其轉錄激活活性 (2C) 

   

  2 PIF蛋白結合TPS10發揮抗蟲作用 

  (A) Co-IP實驗AtPIF3βC1在光照和黑暗條件下的互作。(B) C中使用的效應蛋白和報道基因的載體示意圖構建體。(C) 熒光素酶實驗驗證AtPIFsTPS10的轉錄激活作用,以及加入βC1蛋白后對AtPIFs轉錄激活活性的影響。(D-E) 煙粉虱的生測實驗:Col-0AtPIF3-OE植物上煙粉虱產卵量(D)和偽蛹數(E)的統計。 

 

  植物激素茉莉酸(jasmonic acid, JA)是一種介導植物抗蟲的重要激素,轉錄因子MYCsJA途徑中的關鍵調控因子。MYC家族轉錄因子調控下游多種抗蟲相關次生代謝物質的合成代謝相關基因,包括TPS基因。該課題組早期研究發現雙生病毒βC1可以靶標MYC2, 通過干擾其二聚體的形成抑制MYC2-介導植物抗蟲反應,與其媒介昆蟲煙粉虱形成的互惠共生關系(Li et al. Plant Cell 2014)。PIF蛋白參與植物多個信號通路以參與發育過程以及不同的脅迫響應,包括光和JA途徑。研究報道AtPIF4AtMYC2相互作用,該研究還發現AtPIFs-AtMYC2的互作在一定程度上抑制了TPS基因的表達,而βC1可以促進AtPIF4-AtMYC2異源二聚體的互作進而進一步抑制TPS的表達,促進昆蟲的取食。結合以上研究結果該論文提出以下工作模型:在健康植物中,PIFsMYC2形成同源二聚體,結合在TPS基因啟動子的不同區域,共同調節TPS基因表達,從而趨避煙粉虱;當植物受到雙生病毒感染后,βC1一方面可以抑制PIFsMYC2同源二聚體的形成,一方面又可以促進PIF- MYC2異源二聚體的形成,最終抑制了植物對煙粉虱的抗性反應,促進煙粉虱的取食,促進病毒的傳播與擴散。本研究解析了光和JA信號共同調節病毒-昆蟲-植物三者互作的新機制,為防控蟲媒病害提供新的靶點,也為實現利用單色LED燈綠色防控雙生病毒病害提供理論依據。 

                   

  3 紅光調控雙生病毒-煙粉虱-植物三者互惠共生的模式圖 

 

  該文章由葉健課題組的副研究員趙平芝、助理研究員張璇和已畢業碩士研究生龔雨晴為共同第一作者,課題組王端王寧孫艷偉高連博為文章的共同作者。值得一提的是,該研究得到了方榮祥院士、北京大學鄧興旺院士、美國加州大學戴維斯分校Daniel J. Kliebenstein教授、中國農業科學院植物保護研究所周雪平教授、南京農業大學教授許冬清、浙江大學劉樹生教授的大力支持,也為該文的共同作者,葉健研究員為通訊作者。感謝清華大學陳浩東教授和中國農業大學李繼剛教授提供了寶貴的抗體材料。該研究受到國家自然科學基金重點項目、國家重點研究和發展計劃生物安全專項、國家優青等項目的支持。 

 

  論文鏈接:https://journals.plos.org/plospathogens/article?id=10.1371/journal.ppat.1008770 

    

 

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