中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保所闡明二化螟誘導(dǎo)水稻揮發(fā)物調(diào)控鄰近稻株抗蟲防御反應(yīng)的分子機(jī)制

　　近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所抗病蟲作物生態(tài)安全評價(jià)與利用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在國際知名期刊《New Phytologist》發(fā)表了題為“Stemborer-induced rice plant volatiles boost direct and indirect resistance in neighboring plants”的研究論文。本論文系統(tǒng)研究了蟲害誘導(dǎo)植物揮發(fā)物（herbivore-induced plant volatiles, HIPVs）在稻株間信息交流過程中發(fā)揮的生態(tài)調(diào)控功能，發(fā)現(xiàn)二化螟為害誘導(dǎo)產(chǎn)生的水稻揮發(fā)物可以被鄰近的稻株感知和識別，迅速啟動防御準(zhǔn)備，當(dāng)遭受二化螟為害時能夠啟動更快更強(qiáng)的防御反應(yīng)，揭示了HIPVs調(diào)控鄰近稻株抗蟲防御反應(yīng)的生化和分子機(jī)理。

 

　　在生態(tài)系統(tǒng)中，HIPVs在調(diào)控植物與其他生物的互作關(guān)系中發(fā)揮重要功能。HIPVs可被昆蟲利用作為線索定位寄主或獵物，同時可以作為一種“預(yù)警信號”被相鄰植物識別，迅速進(jìn)入“預(yù)警狀態(tài)”，為后續(xù)可能遭受到的蟲害脅迫提前做好準(zhǔn)備。當(dāng)蟲害脅迫來臨時，處于“預(yù)警狀態(tài)”的植株會表現(xiàn)出更快的反應(yīng)能力、更強(qiáng)的抗性和耐受性。這一現(xiàn)象在玉米、番茄和茶樹等多種植物中均有報(bào)道，但具體的分子和生化機(jī)制有待深入解析。

 

　　水稻是我國重要的糧食作物，通常密集種植，植物間緊密接觸，因此HIPVs在稻株間互作關(guān)系中可能發(fā)揮重要的作用，然而有關(guān)HIPVs介導(dǎo)的稻株間信息交流的研究罕見報(bào)道。近年來，抗病蟲作物生態(tài)安全評價(jià)與利用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)以水稻-二化螟-二化螟盤絨繭蜂三營養(yǎng)層關(guān)系為研究體系，系統(tǒng)分析了二化螟為害誘導(dǎo)水稻揮發(fā)物對鄰近稻株防御反應(yīng)的調(diào)控作用。結(jié)果顯示，相比暴露于健康水稻揮發(fā)物的稻株，暴露于二化螟為害誘導(dǎo)水稻揮發(fā)物的稻株在后續(xù)二化螟為害后，稻株組織中茉莉酸（JA）和蛋白酶抑制劑（PI）途徑相關(guān)基因表達(dá)更快，表達(dá)水平顯著上調(diào)，JA和PI的含量也隨之提高，顯著抑制二化螟幼蟲的生長發(fā)育。此外，暴露于HIPVs后的稻株，受二化螟為害后其揮發(fā)物的釋放量明顯增加，特別是一些對二化螟盤絨繭峰具有引誘作用的揮發(fā)物（如芳樟醇、DMNT等）的釋放量顯著提升，增強(qiáng)了臨近稻株的間接防御反應(yīng)（Yao et al., 2022. New Phytol）。

 

　　該研究從生物學(xué)現(xiàn)象，到相關(guān)水稻防御基因表達(dá)，再到具體防御物質(zhì)的累積，系統(tǒng)深入地揭示了二化螟為害誘導(dǎo)水稻揮發(fā)物對鄰近稻株直接和間接抗蟲防御的調(diào)控機(jī)理。研究結(jié)果不但有助于深入理解植物-植物、植物-植食性昆蟲間的協(xié)同進(jìn)化關(guān)系和機(jī)制，同時也為制定稻田害蟲綠色防控新策略和新技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)。

 

　　中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所為本論文第一完成單位，植保所碩士研究生姚誠誠（目前在中國農(nóng)大攻讀博士）為論文第一作者，植保所李云河研究員和瑞士紐沙泰爾大學(xué)Ted Turlings教授為論文共同通訊作者。本團(tuán)隊(duì)杜立嘯博士、博士生胡曉云、信陽師范學(xué)院劉清松博士和紐沙泰爾大學(xué)葉文豐博士參與了本工作。本研究得到了國家自然科學(xué)基金國際合作項(xiàng)目和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程等項(xiàng)目的資助。