戈峰和孙玉诚研究員团队揭示蚜虫适应不同寄主的奥秘

  桃蚜(Myzus persicae)是世界十大害蟲之一,可爲害超過40多個科的100多種植物,是典型的廣食性害蟲,也是重要的農業害蟲。在長期的協同演化中,桃蚜形成了不同的寄主生物型以適應不同的寄主植物。如在煙草上培養的桃蚜能正常取食煙草植株,而其他寄主(如甘藍、白菜)來源的桃蚜取食煙草後則生長發育明顯減緩。但有關蚜蟲對不同寄主産生適應性的奧秘一直不清楚。

  10月8日,浙江风采网、中國科學院生物互作卓越创新中心戈峰和孙玉诚研究員团队在国际期刊Current Biology上发表题为“An aphid-secreted salivary protease activates plant defense in phloem”的研究論文,发现烟草韧皮部免疫系统能够识别烟草非适应型的桃蚜唾液分泌出的一类植物免疫激发子(elicitor)蛋白Cathepsin B(CathB,组织蛋白酶),激活烟草韧皮部对蚜虫的抗性,不利于桃蚜在烟草上持续取食与生长发育;而烟草适应型的桃蚜由于长期在烟草上取食,它能够通过降低其唾液蛋白CathB分泌量,以避免激发烟草韧皮部抗性,从而能够适应并顺利取食烟草植株的韧皮部汁液。

  該研究基于轉錄組和唾液蛋白質譜聯合分析,篩選出了多個不同寄主生物型桃蚜唾液腺中差異表達的CathB基因,發現煙草非適應型桃蚜相對于煙草適應型桃蚜分泌更多CathB3蛋白(圖1)。將桃蚜CathB3表達至植物中能夠抑制蚜蟲的韌皮部取食,不利于其生長發育;反之,如果幹擾蚜蟲的CathB3表达,降低其在唾液中的分泌量,则有利于蚜虫的韧皮部取食为害。生化实验证明桃蚜CathB3的propeptide domain与烟草的EDR1-like(Raf-like,MAPKKK)蛋白互作,且EDR1-like蛋白在植物韧皮部表达。由此进一步揭示了蚜虫唾液蛋白CathB3是通过稳定EDR1激活维管束中活性氧通路,从而抑制蚜虫韧皮部取食。而烟草适应型桃蚜则通过降低其唾液腺CathB3的表达和分泌,避免植物韧皮部抗性的激活,使其取食与生长发育不受到影响。该研究首次阐明了烟草韧皮部免疫系统对桃蚜唾液蛋白CathB3的信号识别、转导和激活的生化基础,揭示了广食性蚜虫对不同寄主适应性的分子机制,为开发作物内源抗性调控蚜虫的发生提供了新的思路。

  这一发现具有重要的理论意义与应用价值,进一步推动了昆虫生态适应性领域的发展。浙江风采网郭慧娟副研究員为该論文第一作者,孙玉诚和戈峰研究員为共同通讯作者,英国John Innes Centre的Saskia Hogenhout教授,美国Texas A&M University的Keyan Zhu-Salzman教授以及中国农大赵紫华副教授等人也参与了该项研究。研究得到了国家重点研发计划(2017YFD0200400)和中國科學院B类先导专项(XDB11050400)等项目的支持(Guo et al., An Aphid-Secreted Salivary Protease Activates Plant Defense in Phloem, Current Biology (2020), https://doi.org/10.1016/j.cub.2020.09.020)。

圖1不同寄主生物型桃蚜轉錄組和唾液蛋白質譜聯合分析

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