研究發現植物抵抗農業重大害蟲小葉蟬奧秘

中國科學院分子植物科學卓越創新中心李大鵬研究團隊與德國馬克斯普朗克化學生态研究所合作，首次揭示了植物如何巧妙組裝其特異性代謝産物應對農業重大害蟲小葉蟬的非寄主抗性機制。中原標準時間2月4日，相關研究成果（Natural history–guided omics reveals plant defensive chemistry against leafhopper pests）以封面論文的形式，線上發表在《科學》（Science）上。該研究為探索植物昆蟲互作開辟了新的博物學驅動的多組學分析方法，并為植物如何特異性排程其化學“防禦壁壘”抵抗昆蟲進攻提供了全新的代謝視角，這是植物對多食性昆蟲的非寄主抗性研究的重要突破。同時，該研究應用合成生物學的手段對農作物首次進行植物非寄主抗性代謝改造，為農業精準綠色防控技術提供全新可行性應用方案。

植物是天然的有機合成專家，由于其固着于土地之上，無法像動物一樣逃避傷害，因而植物進化出能夠生成結構複雜多樣的特異性代謝産物以适應其複雜多變的生存環境。剖析植物特異性代謝産物的化學結構、生物合成途徑、生理生态學功能以及這些小分子化合物如何在自然界發揮作用，是破譯植物“化學語言”；闡釋植物如何在逆境中安排和排程其複雜的“代謝武器”以在自然界中生存的關鍵，是了解生命體化學本質的核心。然而，由于植物代謝組的複雜性與多樣性，多數植物代謝物的結構和功能仍然未知。

小葉蟬（Empoasca leafhopper）是一種嚴重危害農作物的世界性害蟲，其寄主範圍廣泛，繁殖率高，更嚴重的是小葉蟬能夠傳播多種植物病毒，每年造成嚴重作物減産及經濟損失。目前的防治方法是大量噴灑農藥，但防治效果有限且代價高昂。目前，植物的非寄主抗性集中在植物病原菌互作研究，由于昆蟲的高度取食自主權，植物對昆蟲的非寄主抗性機制尚不清楚。茉莉素是植物抗蟲的關鍵激素，先前研究發現小葉蟬會“竊聽”植物茉莉素激素的合成和響應能力，進而特異性地選擇茉莉素含量低的植物作為自己的寄主，但受茉莉素調控的下遊直接發揮抗性功能的代謝物并不清楚。

本研究中，科研團隊在野外大田種植了由26個父母本雜交生成的共1816株重組自交系群體，這些自交系群體的基因背景各不相同，以供小葉蟬的“竊聽”和宿主選擇。當小葉蟬自由攻擊這些植物時，它們的攻擊率便可以用來幫助确定非寄主植物轉變為寄主植物的遺傳元素。該研究運用博物學驅動的正向遺傳學與反向遺傳學、轉錄組學及非靶向結構代謝組學相結合的全新分析方式，鑒定到一種新的植物特異性代謝産物，其是植物對小葉蟬産生非寄主抗性的關鍵化合物，命名為CPH。研究顯示，該化合物是由非正常的茉莉素元件JAZi特異性調控的，植物隻有在被小葉蟬而非其他昆蟲攻擊時，JAZi才會在被攻擊的葉片特異性表達，激活其調控的CPH合成。進一步研究發現，該化合物由一個乙酰轉移酶AT1、兩個多酚氧化酶PPO1和PPO2及一個小檗堿橋酶BBL2共同協調合作催化合成。該化合物凝結了3大代謝通路，其中一個關鍵合成通路是由植物綠葉揮發通路組成的，是植物揮發性間接防禦的核心通路，另外兩個通路則參與植物的直接防禦物質合成。該研究首次剖析了植物的直接和間接防禦通路是如何巧妙地“對話和排程”合成其代謝武器的。研究團隊利用合成生物學的手段将該代謝通路整合到番茄與蠶豆等作物中，設計出小葉蟬非寄主選擇的高抗作物。

20世紀60年代的農業綠色革命增加了農作物産量。當今，人口持續增長，全球氣候變暖引起的持續增長的幹旱、真菌入侵及病蟲害，對未來農業發展提出挑戰。植物是複雜精妙的化學設計師，該研究運用的博物學驅動的多組學分析及與合成生物學相結合的研究方法，将為挖掘植物數百萬年進化的化學創新手段，為設計第二代綠色革命高産優質抗逆作物提供全新的代謝次元。在全球氣候變暖和全球草食動物日趨變化的世界中，投機型的植物昆蟲互動将成為未來自然和人造生态系統的主導互動模式，關于植物如何應對這種非寄主投機性互動的認知，将幫助我們設計可應對氣候變化的未來綠色抗逆作物。

小葉蟬的攻擊誘導了關鍵抗性化合物的合成與調控路徑

來源：中國科學院分子植物科學卓越創新中心