浙江大学娄永根/李冉团队揭示营养介导的植物与昆虫互作新机制

植物科学最前沿 · 公众号 · · 2024-06-14 07:12

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植物与植食性昆虫长期共存，植物在进化过程中形成了防御机制，而植食性昆虫也产生了反防御机制。目前，关于这种防御和反防御已经有大量的报道。植食性昆虫主要从植物上获取维持生长发育所需的营养物质，因此，植物的营养品质也会影响昆虫的取食。一些初步的研究表明，昆虫取食可以改变植物营养物质（主要是初级代谢产物）在不同组织中的积累，有些昆虫可以从中受益，这与植物的耐害性机制有一定的关联。然而，这种营养介导的植物与昆虫互作机制大部分还不清。

近日，浙江大学昆虫科学研究所娄永根/ 李冉团队在国际知名期刊 Current Biology 上发表了题为 “ Brown planthoppers manipulate rice sugar transporters to benefit their own feeding ”的研究论文， 揭示了韧皮部中糖介导的水稻和褐飞虱的互作。

褐飞虱（ BPH ）是水稻上一种刺吸式口器害虫，主要取食叶鞘韧皮部汁液中的氨基酸和糖类等物质。水稻叶片（源组织）利用光合作用合成糖类，然后通过韧皮部装载运输到叶鞘、根等库组织，其中，Clade Ⅲ 亚家族的 SWEET 糖转运蛋白在韧皮部装载中发挥重要的作用。研究发现，褐飞虱为害显著增加了水稻叶鞘韧皮部中三种可溶性糖的含量；转录组学和 GUS 报告植株染色表明，褐飞虱为害主要激活了叶片中 SWEET13 和 SWEET14 基因的表达，而不影响褐飞虱为害的叶鞘部位两个基因的表达。同时敲除两个 SWEET 基因的突变体对褐飞虱的抗性增强，机理研究表明，敲除 SWEET13 和 SWEET14 基因不影响经典的水稻茉莉酸介导的抗虫性，但是韧皮部汁液中的糖含量显著性降低。糖类物质通常可以作为诱食剂影响半翅目昆虫的取食行为，通过刺吸电位实验和蜜露排放量检测表明，褐飞虱在 sweet13/14 双敲除突变体中的取食能力降低，这可能是导致突变体对褐飞虱抗性增强的原因。 sweet13/14 突变体在田间对褐飞虱抗性也要强于野生型水稻，而其产量却没有发生变化。 SWEET13 和 SWEET14 很早就被鉴定为白叶枯病菌的隐性抗性基因，因此，两个基因可作为水稻抗病虫育种的重要分子靶点。

浙江大学昆虫所博士生俞玲园为论文第一作者，浙江大学昆虫所李冉研究员为论文通讯作者。浙江大学娄永根教授，德国马普化学生态研究所Ian Baldwin 教授以及中科院华南植物园曾璇博士对本研究给予了大力帮助。该研究得到了国家自然基金面上项目、十四五国家重点研发计划、马普伙伴小组计划和海外高层次人才项目的资助。课题组近年来聚焦水稻 JA 信号途径以及水稻和害虫互作相关研究，在PNAS （ 2023 ）、 Plant Cell （ 2023, 2024 ）、 Current Biology （ 2024 ）、 New Phytologist （ 2021, 2023 ）等期刊发表多篇研究论文。

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