清華新聞網(wǎng)9月14日電 植物在感受到環(huán)境刺激時(shí)會(huì)產(chǎn)生揮發(fā)性化合物（volatile organic compounds，VOCs），其作為一種特殊的信號(hào)能被周?chē)闹参锔兄M(jìn)而誘發(fā)周?chē)参锏姆烙磻?yīng)，這一現(xiàn)象被稱(chēng)為氣傳性免疫（airborne defense，AD）。盡管幾十年來(lái)人們?cè)诙喾N植物中觀(guān)察到這種植物間通訊（plant-plant communication，PPC）現(xiàn)象，并認(rèn)識(shí)到其重要的生物學(xué)和生態(tài)學(xué)意義，然而對(duì)VOCs介導(dǎo)PPC的分子機(jī)制一直不清楚。此外，除乙烯受體外，植物感知其他VOCs的受體也一直未被鑒定。蚜蟲(chóng)是全球范圍內(nèi)最具破壞性的農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)之一，它們吸食植物汁液并傳播超過(guò)40%的植物病毒，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大破壞。蚜蟲(chóng)的侵害會(huì)誘導(dǎo)植物釋放包含水楊酸甲酯（methyl salicylate，MeSA）在內(nèi)的VOCs。MeSA在植物抵御包括蚜蟲(chóng)在內(nèi)的食草性昆蟲(chóng)侵害中發(fā)揮重要作用，它通過(guò)驅(qū)避昆蟲(chóng)、降低其適應(yīng)性或吸引其天敵等方式參與植物防御過(guò)程。但是MeSA如何作為植物間通訊的信號(hào)激活A(yù)D抗蚜蟲(chóng)防御是一個(gè)長(zhǎng)期未解決的問(wèn)題，植物是否擁有識(shí)別和感知空氣中MeSA的受體也不清楚。此外，蚜蟲(chóng)和病毒能否干擾植物氣傳性免疫也不清楚。
9月13日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、植物生物學(xué)研究中心劉玉樂(lè)研究組在《自然》（Nature）在線(xiàn)發(fā)表了題為“水楊酸甲酯介導(dǎo)植物氣傳性免疫的分子基礎(chǔ)”（Molecular basis of methyl salicylate-mediated plant airborne defense）的研究論文，該工作鑒定了識(shí)別氣態(tài)MeSA的植物受體，揭示MeSA介導(dǎo)的植物氣傳性免疫的分子機(jī)制及植物病毒的反防御機(jī)制，為防治病蟲(chóng)害提供了突破點(diǎn)和研究方向。
植物氣傳性免疫的分子機(jī)制示意圖
大多數(shù)植物病毒通過(guò)昆蟲(chóng)等介體傳播。當(dāng)昆蟲(chóng)叮咬植物后，植物會(huì)產(chǎn)生VOCs，驅(qū)避昆蟲(chóng)的同時(shí)也招募吸引這些植食性昆蟲(chóng)的天敵。除此之外，當(dāng)這些揮發(fā)性化合物被鄰近植物吸收后會(huì)觸發(fā)鄰近植物對(duì)昆蟲(chóng)的防御反應(yīng)。劉玉樂(lè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)蚜蟲(chóng)叮咬植物后，植物會(huì)產(chǎn)生MeSA，這些MeSA能夠揮發(fā)到空氣中被鄰近植物中的MeSA的受體蛋白水楊酸結(jié)合蛋白-2（SA-binding protein-2，SABP2）感知結(jié)合，并將其轉(zhuǎn)化為水楊酸（salicylic acid，SA）。SA激活轉(zhuǎn)錄因子NAC2，上調(diào)水楊酸羧基甲基轉(zhuǎn)移酶1（SA-carboxylmethyltransferase-1，SAMT1）基因的表達(dá)，從而產(chǎn)生更多的MeSA，誘導(dǎo)植物的抗蚜蟲(chóng)免疫，并降低病毒的傳播。另外，劉玉樂(lè)團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)一些蚜蟲(chóng)傳病毒能夠編碼含有解旋酶結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)與NAC2蛋白相互作用，改變NAC2蛋白的亞細(xì)胞核定位至細(xì)胞質(zhì)中，促使NAC2在細(xì)胞質(zhì)中被26S蛋白酶體降解，從而負(fù)調(diào)控NAC2-SAMT1通路，抑制蚜蟲(chóng)叮咬植物中MeSA的合成和揮發(fā)，阻斷植物間“預(yù)警”通訊，促進(jìn)蚜蟲(chóng)對(duì)鄰近植物的侵染和對(duì)病毒的傳播。這一發(fā)現(xiàn)揭示了植物氣傳免疫的分子機(jī)制及病毒的反防御機(jī)制、揭示了全新的蚜蟲(chóng)-病毒之間的共進(jìn)化的互惠方式。
劉玉樂(lè)教授為論文通訊作者，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后龔騫和王韻婧為論文第一作者。河北農(nóng)業(yè)大學(xué)洪益國(guó)教授，清華大學(xué)生命學(xué)院2020級(jí)博士生何霖芳、2019級(jí)博士生黃凡、已出站博士后張丹鳳、助理研究員王燕博士、高級(jí)工程師魏香博士，清華大學(xué)蛋白質(zhì)化學(xué)與組學(xué)平臺(tái)鄧海騰教授、韓萌，中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所崔峰研究員及其團(tuán)隊(duì)的羅嵐工程師為本研究作出了重要貢獻(xiàn)。該研究還得到中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所康樂(lè)院士，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)王獻(xiàn)兵教授，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)李向東教授，中國(guó)科學(xué)院微生物所郭惠珊研究員、葉健研究員和趙平芝博士的寶貴建議或幫助。研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06533-3
供稿：生命學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：趙存存
編輯：李華山
審核：郭玲
