2月4日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心李大鵬研究團(tuán)隊(duì)與德國馬克斯普朗克化學(xué)生態(tài)所合作在《科學(xué)》以封面論文的形式發(fā)表論文首次揭示了植物如何巧妙組裝其特異性代謝產(chǎn)物應(yīng)對農(nóng)業(yè)重大害蟲小葉蟬的非寄主抗性機(jī)制。
這一成果不但為探索植物昆蟲互作開辟了新的博物學(xué)驅(qū)動的多組學(xué)分析方法，還為植物如何特異性調(diào)度其化學(xué)“防御壁壘”抵抗昆蟲進(jìn)攻提供了全新的代謝視角，是植物對多食性昆蟲的非寄主抗性研究的重大突破，同時該研究應(yīng)用合成生物學(xué)的手段對農(nóng)作物首次進(jìn)行植物非寄主抗性代謝改造，為農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)綠色防控技術(shù)提供全新可行性應(yīng)用方案。
小葉蟬(Empoasca leafhopper)是一種嚴(yán)重危害農(nóng)作物的世界性害蟲，每年造成嚴(yán)重作物減產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)損失。目前的防治方法是大量噴灑農(nóng)藥，但是防治效果有限而且代價高昂。植物是天然的有機(jī)合成專家，由于其固著于土地之上，無法像動物一樣逃避傷害，因此，植物進(jìn)化出了能夠生成結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣的特異性代謝產(chǎn)物以適應(yīng)其復(fù)雜多變的生存環(huán)境。在全球氣候變暖和全球草食動物日趨變化的世界中，投機(jī)型的植物昆蟲交互將成為未來自然和人造生態(tài)系統(tǒng)的主導(dǎo)交互模式，對植物如何應(yīng)對這種非寄主投機(jī)性交互的認(rèn)知將極大地幫助我們設(shè)計(jì)能應(yīng)對氣候變化的未來綠色抗逆作物。
▲小葉蟬的攻擊誘導(dǎo)了關(guān)鍵抗性化合物的合成與調(diào)控路徑
在該項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)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(dāng)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確定非寄主植物轉(zhuǎn)變?yōu)榧闹髦参锏倪z傳元素。該研究通過博物學(xué)驅(qū)動的正向遺傳學(xué)與反向遺傳學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)及非靶向結(jié)構(gòu)代謝組學(xué)相結(jié)合的全新分析方式鑒定到了一種新的植物特異性代謝產(chǎn)物，是植物對小葉蟬產(chǎn)生非寄主抗性的關(guān)鍵化合物，并將其命名為CPH。研究發(fā)現(xiàn)，植物只有在被小葉蟬，而非其他昆蟲攻擊的時候，非常規(guī)的茉莉素元件JAZi才會在被攻擊的葉片特異性表達(dá)，激活其調(diào)控的CPH合成。巧妙的是，該化合物凝結(jié)了3大代謝通路，其中一個關(guān)鍵合成通路是由植物綠葉揮發(fā)通路組成的，是植物揮發(fā)性間接防御的核心通路，另外兩個通路則參與植物的直接防御物質(zhì)合成。因此該研究首次解析了植物的直接和間接防御通路是如何巧妙地“對話和調(diào)度”合成其代謝武器的。最終，研究團(tuán)隊(duì)通過合成生物學(xué)的手段將該代謝通路整合到番茄與蠶豆等作物中，設(shè)計(jì)出小葉蟬非寄主選擇的高抗作物。
上一世紀(jì)60年代開始的農(nóng)業(yè)綠色革命前所未有地增加了農(nóng)作物產(chǎn)量。如今，人口持續(xù)增長，同時，全球氣候變暖引起的持續(xù)增長的干旱、真菌入侵及病蟲害對未來農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來巨大挑戰(zhàn)。植物是最復(fù)雜精妙的化學(xué)設(shè)計(jì)師，該研究運(yùn)用的博物學(xué)驅(qū)動的多組學(xué)分析及與合成生物學(xué)相結(jié)合的研究方法將為挖掘植物數(shù)百萬年進(jìn)化的化學(xué)創(chuàng)新手段，為設(shè)計(jì)第二代綠色革命高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)抗逆作物提供全新的代謝維度。
中國人,sciecne
