中科院微生物所揭示红光调控植物抗虫媒病毒新机制

病害三角(disease triangle)是描述疾病流行规律的理论,该理论指出“病害三要素”为致病病原生物、易感宿主和适合的环境条件三者相互作用才能引起侵染性病害。已知超过1480种植物病毒中,近80%由媒介昆虫传播,植物虫传病毒是制约我国农作物高产稳产的主要因素之一。

以往作物病毒病害的研究注重于病毒和植物宿主两个方面,而实际上参与病毒传播、病害发生的因子还有传毒媒介昆虫以及光照、温度、气候、生物周期节律等环境因子。

作为人类赖以生存的最重要生化反应,植物光合作用主要吸收红光和蓝紫光并存储为化学能,最终为人类和其他动物提供必需的食物和能量。

光作为主要的环境因子,不仅调控植物生长发育的每个环节,而且同病害的流行爆发紧密相关。然而光是如何影响植物抗病性,病原微生物又是如何适应宿主抗性机制从而促进自身的传播等问题,尚亟待得到科学解答。 

近日,中国科学院微生物所叶健课题组在PLoS Pathogens在线发表了题为Red-light is an environmental effector for mutualism between begomovirus and its vector whitefly的研究论文。

该研究发现植物双生病毒卫星DNA编码的βC1蛋白可以通过靶向光信号途径的PIF转录因子家族调控的虫媒病毒抗性,促进虫媒病毒的快速传播,揭示了光调节双生病毒-烟粉虱-植物三者互惠共生的新机制。 

本研究在前期工作的基础上,进一步以双生病毒中国番茄黄化曲叶病毒TYLCCNV与卫星DNA形成的侵染复合物为研究对象,发现双生病毒卫星感病植物和对媒介昆虫烟粉虱的吸引作用只有在光照条件下才会发生,而在黑暗条件下不会发生(图1A和1B)。

已有研究表明βC1是病毒编码的关键决定因子,进一步利用单色光LED灯箱进行昆虫双选择实验,发现βC1转基因植物只有在红光和含有红光的白光条件下发生,而在黑暗、远红光和蓝光条件下没有显著差异 (图1C)。

烟粉虱等大多数昆虫的视觉系统缺乏红光受体,是“红色色盲”,所以这种光依赖的烟粉虱选择行为改变主要是病毒感染植物后影响了昆虫嗅觉识别植物。

图1 红光促进βC1介导的烟粉虱取食植物偏好
(A)烟粉虱在光照下取食偏好双生病毒感染植物。
(B)光照和黑暗条件下健康植物和感病植物对烟粉虱的吸引作用。
(C) 不同单色光条件下对照和βC1过表达植物的烟粉虱双选择实验。

当植物受到昆虫取食后,会产生一系列的化学挥发物来调控昆虫的行为来趋避食草昆虫,其中萜烯类化合物 (Terpenes) 是植物挥发物中最丰富的一类化合物,研究报道部分倍半萜和单萜会趋避昆虫。

该研究通过酵母双杂交筛选实验鉴定到光信号中的关键蛋白光敏色素互作蛋白 (PHYTOCHROME-INTERACTING FACTOR 3, PIF3) 可以与βC1蛋白互作,进一步Co-IP实验证明PIF3与βC1在光照和黑暗条件下均可以在植物体内互作 (图2A)。

PIFs蛋白可以直接结合萜烯合酶 (Terpene synthase,TPS) 基因的启动子促进其转录 (图2B和2C),因此在PIF过表达的植物中,介体昆虫烟粉虱的产卵量减少、伪蛹发育缓慢 (图2D和2E),说明PIFs蛋白具有直接的抗虫作用。

通过竞争性BiFC和pull-down实验发现βC1蛋白可以通过干扰PIF蛋白二聚体的形成不同程度的抑制其转录激活活性 (图2C)。 

图2 PIF蛋白结合TPS10发挥抗虫作用
(A)Co-IP实验AtPIF3与βC1在光照和黑暗条件下的互作。
(B)图C中使用的效应蛋白和报道基因的载体示意图构建体。
(C)荧光素酶实验验证AtPIFs对TPS10的转录激活作用
以及加入βC1蛋白后对AtPIFs转录激活活性的影响。
(D-E)烟粉虱的生测实验:Col-0和AtPIF3-OE植物上烟粉虱产卵量(D)和伪蛹数(E)的统计。

植物激素茉莉酸(jasmonic acid, JA)是一种介导植物抗虫的重要激素,转录因子MYCs是JA途径中的关键调控因子。MYC家族转录因子调控下游多种抗虫相关次生代谢物质的合成代谢相关基因,包括TPS基因。

该课题组早期研究发现双生病毒βC1可以靶标MYC2, 通过干扰其二聚体的形成抑制MYC2-介导植物抗虫反应,与其媒介昆虫烟粉虱形成的互惠共生关系(Li et al. Plant Cell 2014)。PIF蛋白参与植物多个信号通路以参与发育过程以及不同的胁迫响应,包括光和JA途径。

研究报道AtPIF4与AtMYC2相互作用,该研究还发现AtPIFs-AtMYC2的互作在一定程度上抑制了TPS基因的表达,而βC1可以促进AtPIF4-AtMYC2异源二聚体的互作进而进一步抑制TPS的表达,促进昆虫的取食。

结合以上研究结果该论文提出以下工作模型:在健康植物中,PIFs和MYC2形成同源二聚体,结合在TPS基因启动子的不同区域,共同调节TPS基因表达,从而趋避烟粉虱;当植物受到双生病毒感染后,βC1一方面可以抑制PIFs或MYC2同源二聚体的形成,一方面又可以促进PIF- MYC2异源二聚体的形成,最终抑制了植物对烟粉虱的抗性反应,促进烟粉虱的取食,促进病毒的传播与扩散。

图3红光调控双生病毒-烟粉虱-植物三者互惠共生的模式图

本研究解析了光和JA信号共同调节病毒-昆虫-植物三者互作的新机制,为防控虫媒病害提供新的靶点,也为实现利用单色LED灯绿色防控双生病毒病害提供理论依据。 (来源:中国科学院微生物研究所)

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