次生代謝產(chǎn)物是植物防御植食性昆蟲為害的重要武器，目前在不同植物中已經(jīng)鑒定出很多抗蟲相關(guān)次生代謝產(chǎn)物，這些化合物大都作用于害蟲本身。而內(nèi)共生菌普遍存在于昆蟲體內(nèi)，是許多昆蟲生長發(fā)育和繁殖的重要“幫手”，植物次生代謝物是否可以作用于這些內(nèi)共生菌還從未報道。
近日，浙江大學(xué)昆蟲科學(xué)研究所婁永根/李冉團隊在國際知名期刊PNAS上發(fā)表了題為“Sakuranetin protects rice from brown planthopper attack by depleting its beneficial endosymbionts”的研究論文，闡述了水稻抗褐飛虱的一種新機制。
褐飛虱是水稻上的首要害蟲，嚴(yán)重影響水稻的產(chǎn)量。課題組近五年來聚焦水稻JA信號途徑介導(dǎo)的抗蟲性研究，在前期的研究中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，褐飛虱為害顯著激活水稻JA途徑，并且JA正調(diào)控水稻對褐飛虱的抗性（Xu et al., 2021, New Phytologist）。進一步研究發(fā)現(xiàn)JA-Ile、JA-Val和JA-Leu三種茉莉酸氨基酸螯合物都是有活性的JA信號分子，通過和COI受體蛋白的互作調(diào)控水稻對褐飛虱的抗性（Fu et al., 2022, Plant Cell and Environment）。除了COI1a和COI1b以外，有活性JA也可以和COI2結(jié)合。COI1和COI2都參與水稻對褐飛虱的抗性，但不同受體調(diào)控的下游防御途徑有所不同（Wang et al., 2023, New Phytologist）。
為了更進一步明確JA如何參與水稻對褐飛虱的抗性，課題組關(guān)注到了一種JA調(diào)控的類黃酮類次生代謝產(chǎn)物——櫻花素（sakuranetin）。褐飛虱為害可以顯著激活水稻櫻花素合成基因NOMT的表達，并且在褐飛虱危害部位積累大量的櫻花素。通過基因編輯構(gòu)建了NOMT敲除突變體，突變體喪失了櫻花素的合成能力，并且表現(xiàn)出對褐飛虱的抗性減弱。櫻花素被廣泛認(rèn)為是一種水稻的抗毒素，主要參與水稻對病原菌的抗性。鑒于內(nèi)生菌在半翅目昆蟲中發(fā)揮的重要作用，作者猜測櫻花素是否可以作用于內(nèi)共生菌來影響褐飛虱。對取食nomt突變體和野生型植株的褐飛虱蟲體進行擴增子測序表明，類酵母共生菌（yeast-like symbionts, YLS）在取食不同植物的褐飛虱體顯著性差異富集。YLS是褐飛虱體內(nèi)最為豐富的內(nèi)共生真菌，為褐飛虱提供多種必需氨基酸以及膽固醇，并參與褐飛虱氮素的重新利用。定量結(jié)果也顯示櫻花素可顯著性降低褐飛虱體內(nèi)YLS的數(shù)量以及褐飛虱體內(nèi)膽固醇的積累。本研究報道了一種全新的植物抗蟲機制，即植物可以利用次生代謝產(chǎn)物抑制蟲體內(nèi)的有益內(nèi)共生菌來“間接”防御植食性昆蟲，該研究為褐飛虱的綠色防控提供了全新的視角。
浙江大學(xué)昆蟲所劉夢雨博士后和浙江省農(nóng)科院生物所洪高潔研究員為論文第一作者，浙江大學(xué)昆蟲所李冉研究員為論文通訊作者。浙江大學(xué)婁永根教授、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)邴孝利副教授、西北農(nóng)林科技大學(xué)靖湘峰教授以及德國馬普化學(xué)生態(tài)研究所的Ian Baldwin教授和Jonathan Gershenzon教授對本研究給予了大力幫助。該研究得到了十四五國家重點研發(fā)計劃（2021YFD1401100）、馬普伙伴小組計劃和海外高層次人才項目的資助。
原文鏈接：www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2305007120
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