破解数十年难题！清华大学最新Nature

蚜虫传播病毒，是破坏性的作物害虫。受到蚜虫攻击的植物会释放挥发性化合物，以引发邻近植物的气传性免疫(AD)。然而，AD的潜在机制尚不清楚。

2023年9月13日，清华大学刘玉乐团队在Nature 在线发表题为“Molecular basis of methyl-salicylatemediated plant airborne defence”的研究论文，该研究揭示了水杨酸甲酯(MeSA)、水杨酸结合蛋白-2 (SABP2)、转录因子NAC2和水杨酸羧甲基转移酶-1 (SAMT1)形成的一个信号通路，用以介导AD对抗蚜虫和病毒。空气中的MeSA被邻近植物中的SABP2感知并转化为水杨酸。然后水杨酸引起信号转导级联，激活NAC2-SAMT1模块进行MeSA生物合成，诱导植物抗蚜免疫，减少病毒传播。

为了对抗这种情况，一些蚜虫传播的病毒编码含有解旋螺旋蛋白的蛋白，通过与NAC2相互作用来亚细胞重定位和破坏NAC2的稳定，从而抑制AD。因此，植物对蚜虫的排斥程度降低，更适合蚜虫的生存、侵染和病毒传播。该研究揭示了AD和蚜虫-病毒共同进化的机制基础，证明AD是一种潜在的生物激励策略来控制蚜虫和病毒。

植物已经进化出感知环境刺激和诱导代谢变化的能力，以产生挥发性有机化合物(VOCs)作为植物内和植物间的信号。挥发性有机化合物一旦从挥发性有机化合物排放植物中释放出来，就可以起到气传性信号的作用，并被认为会引起邻近接收植物的防御，这种现象被称为AD。几十年来，在许多物种中已经观察到这种植物-植物通讯(PPC)及其生物学和生态学意义。最近，研究发现UDP-阿拉伯糖基转移酶参与了番茄远端防御虫病的空气挥发性接收过程。然而，VOCs介导的PPC(包括AD)的分子遗传框架在很大程度上尚不清楚。此外，除了乙烯受体外，介导植物VOCs感知系统的受体尚未确定。

蚜虫是世界上最具破坏性的农业和园艺害虫。蚜虫以韧皮部为食，由于它们能有效地传播许多毁灭性的病毒病原体，对作物生产造成广泛的破坏。超过40%的植物病毒依靠蚜虫传播来感染植物，包括许多食品、水果和蔬菜作物。蚜虫攻击诱导植物释放主要由MeSA组成的挥发性有机化合物。MeSA通过排斥、吸引捕食者或降低这些昆虫的生存适应性，与植物防御包括蚜虫在内的食草昆虫有关。MeSA被认为是植物内部和远距离移动信号，参与诱导对微生物病原体和食草昆虫的系统性获得性抗性(SAR)。

在SAR期间，水杨酸(SA)在病原体感染的细胞中积累，并通过SAMT119转化为MeSA；然后，MeSA通过韧皮部进入远端组织，随后在系统性叶片中被SABP2重新转化为SA。虽然已知MeSA作为植物内SAR信号的功能，但MeSA如何作为植物间通信信号激活邻近接收植物的抗蚜防御是一个长期存在且未解决的问题。此外，尽管有报道称MeSA介导AD对抗烟草花叶病毒，但仍不清楚蚜虫和病毒是否以及如何调节AD。

植物气传性免疫的分子机制示意图（图源自Nature ）

该研究利用由蚜虫、病毒、挥发性有机化合物排放者和接受者植物组成的病理系统来解剖AD。在分子和遗传水平上建立了MeSA介导AD抑制昆虫侵染和病毒传播的框架，并鉴定了一种气味结合蛋白(OBP)样受体，用于感知和感知空气中的MeSA。还发现了一种抑制植物AD的病毒反防御策略，这表明蚜虫和蚜虫传播病毒之间存在一种未定义的生态和共同进化的相互作用。该研究为提供VOC触发PPC的详细机制奠定了基础，并为未来PPC和植物适应环境的研究铺平了道路。

清华大学生命科学学院博士后龚骞和王韵婧为论文第一作者，刘玉乐教授为论文通讯作者，河北农业大学洪益国教授、清华大学生命学院在读博士生何霖芳、黄凡、已出站博士后张丹凤、王燕博士、魏香博士、邓海腾教授和韩萌、中国科学院动物研究所崔峰研究员及其团队的罗岚为本研究做出了重要贡献。此外，该工作还得到了中国科学院动物研究所康乐院士、中国农业大学王献兵教授、山东农业大学李向东教授、中国科学院微生物所郭惠珊研究员、叶健研究员和赵平芝博士的宝贵建议或帮助。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委等项目的支持。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06533-3

转自：“iNature”微信公众号

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