以往作物病毒病害的研究注重于病毒和植物宿主兩個(gè)方面，而實(shí)際上參與病毒傳播、病害發(fā)生的因子還有傳毒媒介昆蟲以及光照、溫度、氣候、生物周期節(jié)律等環(huán)境因子。

 

作為人類賴以生存的最重要生化反應(yīng)，植物光合作用主要吸收紅光和藍(lán)紫光并存儲為化學(xué)能，最終為人類和其他動(dòng)物提供必需的食物和能量。

 

光作為主要的環(huán)境因子，不僅調(diào)控植物生長發(fā)育的每個(gè)環(huán)節(jié)，而且同病害的流行爆發(fā)緊密相關(guān)。然而光是如何影響植物抗病性，病原微生物又是如何適應(yīng)宿主抗性機(jī)制從而促進(jìn)自身的傳播等問題，尚亟待得到科學(xué)解答。

 

近日，中國科學(xué)院微生物所葉健課題組在PLoS Pathogens在線發(fā)表了題為Red-light is an environmental effector for mutualism between begomovirus and its vector whitefly的研究論文。

 

該研究發(fā)現(xiàn)植物雙生病毒衛(wèi)星DNA編碼的βC1蛋白可以通過靶向光信號途徑的PIF轉(zhuǎn)錄因子家族調(diào)控的蟲媒病毒抗性，促進(jìn)蟲媒病毒的快速傳播，揭示了光調(diào)節(jié)雙生病毒-煙粉虱-植物三者互惠共生的新機(jī)制。

 

本研究在前期工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步以雙生病毒中國番茄黃化曲葉病毒TYLCCNV與衛(wèi)星DNA形成的侵染復(fù)合物為研究對象，發(fā)現(xiàn)雙生病毒衛(wèi)星感病植物和對媒介昆蟲煙粉虱的吸引作用只有在光照條件下才會(huì)發(fā)生，而在黑暗條件下不會(huì)發(fā)生（圖1A和1B）。

 

已有研究表明βC1是病毒編碼的關(guān)鍵決定因子，進(jìn)一步利用單色光LED燈箱進(jìn)行昆蟲雙選擇實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)βC1轉(zhuǎn)基因植物只有在紅光和含有紅光的白光條件下發(fā)生，而在黑暗、遠(yuǎn)紅光和藍(lán)光條件下沒有顯著差異 (圖1C)。

 

煙粉虱等大多數(shù)昆蟲的視覺系統(tǒng)缺乏紅光受體，是“紅色色盲”，所以這種光依賴的煙粉虱選擇行為改變主要是病毒感染植物后影響了昆蟲嗅覺識別植物。

 

圖1 紅光促進(jìn)βC1介導(dǎo)的煙粉虱取食植物偏好

 

(A)煙粉虱在光照下取食偏好雙生病毒感染植物。

(B)光照和黑暗條件下健康植物和感病植物對煙粉虱的吸引作用。

(C) 不同單色光條件下對照和βC1過表達(dá)植物的煙粉虱雙選擇實(shí)驗(yàn)。

 

當(dāng)植物受到昆蟲取食后，會(huì)產(chǎn)生一系列的化學(xué)揮發(fā)物來調(diào)控昆蟲的行為來趨避食草昆蟲，其中萜烯類化合物 (Terpenes) 是植物揮發(fā)物中最豐富的一類化合物，研究報(bào)道部分倍半萜和單萜會(huì)趨避昆蟲。

 

該研究通過酵母雙雜交篩選實(shí)驗(yàn)鑒定到光信號中的關(guān)鍵蛋白光敏色素互作蛋白 (PHYTOCHROME-INTERACTING FACTOR 3, PIF3) 可以與βC1蛋白互作，進(jìn)一步Co-IP實(shí)驗(yàn)證明PIF3與βC1在光照和黑暗條件下均可以在植物體內(nèi)互作 (圖2A)。

 

PIFs蛋白可以直接結(jié)合萜烯合酶 (Terpene synthase，TPS) 基因的啟動(dòng)子促進(jìn)其轉(zhuǎn)錄 (圖2B和2C)，因此在PIF過表達(dá)的植物中，介體昆蟲煙粉虱的產(chǎn)卵量減少、偽蛹發(fā)育緩慢 (圖2D和2E)，說明PIFs蛋白具有直接的抗蟲作用。

 

通過競爭性BiFC和pull-down實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)βC1蛋白可以通過干擾PIF蛋白二聚體的形成不同程度的抑制其轉(zhuǎn)錄激活活性 (圖2C)。

 

圖2 PIF蛋白結(jié)合TPS10發(fā)揮抗蟲作用

 

(A)Co-IP實(shí)驗(yàn)AtPIF3與βC1在光照和黑暗條件下的互作。

(B)圖C中使用的效應(yīng)蛋白和報(bào)道基因的載體示意圖構(gòu)建體。

(C)熒光素酶實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證AtPIFs對TPS10的轉(zhuǎn)錄激活作用

以及加入βC1蛋白后對AtPIFs轉(zhuǎn)錄激活活性的影響。

(D-E)煙粉虱的生測實(shí)驗(yàn)：Col-0和AtPIF3-OE植物上煙粉虱產(chǎn)卵量(D)和偽蛹數(shù)(E)的統(tǒng)計(jì)。

 

植物激素茉莉酸（jasmonic acid, JA）是一種介導(dǎo)植物抗蟲的重要激素，轉(zhuǎn)錄因子MYCs是JA途徑中的關(guān)鍵調(diào)控因子。MYC家族轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控下游多種抗蟲相關(guān)次生代謝物質(zhì)的合成代謝相關(guān)基因，包括TPS基因。

 

該課題組早期研究發(fā)現(xiàn)雙生病毒βC1可以靶標(biāo)MYC2, 通過干擾其二聚體的形成抑制MYC2-介導(dǎo)植物抗蟲反應(yīng)，與其媒介昆蟲煙粉虱形成的互惠共生關(guān)系（Li et al. Plant Cell 2014）。PIF蛋白參與植物多個(gè)信號通路以參與發(fā)育過程以及不同的脅迫響應(yīng)，包括光和JA途徑。

 

研究報(bào)道AtPIF4與AtMYC2相互作用，該研究還發(fā)現(xiàn)AtPIFs-AtMYC2的互作在一定程度上抑制了TPS基因的表達(dá)，而βC1可以促進(jìn)AtPIF4-AtMYC2異源二聚體的互作進(jìn)而進(jìn)一步抑制TPS的表達(dá)，促進(jìn)昆蟲的取食。

 

結(jié)合以上研究結(jié)果該論文提出以下工作模型：在健康植物中，PIFs和MYC2形成同源二聚體，結(jié)合在TPS基因啟動(dòng)子的不同區(qū)域，共同調(diào)節(jié)TPS基因表達(dá)，從而趨避煙粉虱；當(dāng)植物受到雙生病毒感染后，βC1一方面可以抑制PIFs或MYC2同源二聚體的形成，一方面又可以促進(jìn)PIF- MYC2異源二聚體的形成，最終抑制了植物對煙粉虱的抗性反應(yīng)，促進(jìn)煙粉虱的取食，促進(jìn)病毒的傳播與擴(kuò)散。

 

圖3紅光調(diào)控雙生病毒-煙粉虱-植物三者互惠共生的模式圖

 

本研究解析了光和JA信號共同調(diào)節(jié)病毒-昆蟲-植物三者互作的新機(jī)制，為防控蟲媒病害提供新的靶點(diǎn)，也為實(shí)現(xiàn)利用單色LED燈綠色防控雙生病毒病害提供理論依據(jù)。