昆蟲與植物間跨界交流信息被破解

自然界中，絕大部分植物通過光合作用自養(yǎng)生活，而有一類植物則需要全部或部分依賴于其他植物獲得營(yíng)養(yǎng)和水分，這類植物被稱作寄生植物，菟絲子是其中典型的代表之一。

目前，對(duì)菟絲子和寄主之間的物質(zhì)和信號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)研究已經(jīng)有了一些進(jìn)展。但是，在菟絲子與寄主組成的這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中，當(dāng)昆蟲取食菟絲子時(shí)，昆蟲與菟絲子以及寄主植物三者之間又發(fā)生了什么樣的聯(lián)系？

2021年，我國(guó)科學(xué)家在英文期刊《植物多樣性》上發(fā)表了一篇題為《桃蚜、菟絲子寄生蟲和黃瓜寄主植物間的種間跨界交流轉(zhuǎn)移》的研究成果，刷新了人們的認(rèn)知。

轉(zhuǎn)運(yùn)mRNA或作為長(zhǎng)距離運(yùn)輸信號(hào)發(fā)揮生物學(xué)功能

mRNA即“信使核糖核酸”，是一大類核糖核酸分子，它將遺傳信息從脫氧核糖核酸傳遞到核糖體，在那里作為蛋白質(zhì)合成模板，并決定基因表達(dá)蛋白產(chǎn)物肽鏈的氨基酸序列。

目前，約有4500種寄生植物被發(fā)現(xiàn)，大約占有花植物的1%。寄生植物通過一種特殊的器官——吸器與寄主建立維管束的連接，以獲取無機(jī)鹽、水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等。此外，寄主中的次生代謝產(chǎn)物、mRNA、蛋白質(zhì)甚至病毒和類病毒等物質(zhì)也可轉(zhuǎn)運(yùn)到寄生植物中。

菟絲子是旋花科菟絲子屬的一年生或多年生專性莖寄生植物，萌發(fā)后必須寄生在寄主身上才能生活。菟絲子通過吸器與寄主的維管組織連接形成物質(zhì)交流的通道。已有轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究表明，菟絲子和寄主在沒有任何生物或者非生物脅迫的狀態(tài)下已經(jīng)存在著上千個(gè)mRNA的交流，而且轉(zhuǎn)運(yùn)的mRNA可能作為一種長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)男盘?hào)發(fā)揮生物學(xué)功能。

桃蚜是一種廣食性的蚜蟲，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)顯示，其寄主植物可多達(dá)74科285種，其生活周期短、繁殖量大，除刺吸植物體內(nèi)汁液，還可分泌蜜露，引起煤污病，影響植物正常生長(zhǎng)；更重要的是，它能傳播多種植物病毒，如黃瓜花葉病毒、馬鈴薯Y病毒和煙草蝕紋病毒等，是果蔬栽培的主要害蟲。

“桃蚜對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重大威脅，同時(shí)也是為數(shù)不多的可以取食菟絲子的刺吸式昆蟲之一，而且相對(duì)于菟絲子的寄主來說，桃蚜更喜歡取食菟絲子。”中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所吳建強(qiáng)研究員介紹說，此前的研究表明，桃蚜在取食過程中，通過口器不但取食寄主植物韌皮部汁液，并且也向植物體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)多種蛋白、mRNA及病毒等大分子。

目前，在菟絲子和寄主兩者之間的物質(zhì)和信號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)研究較多，尤其是mRNA的轉(zhuǎn)運(yùn)研究較為豐富。而在桃蚜、菟絲子及寄主構(gòu)成的三營(yíng)養(yǎng)級(jí)互作體系里，桃蚜—菟絲子—寄主三者之間mRNA信息交流的研究還沒有報(bào)道。

mRNA在昆蟲—寄生植物—寄主植物間跨界交流

吳建強(qiáng)帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在建立菟絲子和寄主黃瓜寄生體系的基礎(chǔ)上，利用桃蚜取食菟絲子，從而對(duì)菟絲子進(jìn)行生物脅迫，重點(diǎn)探究了桃蚜、菟絲子以及黃瓜葉和根之間mRNA的轉(zhuǎn)運(yùn)。

“研究表明，桃蚜的取食，大大增強(qiáng)了菟絲子和黃瓜之間mRNA的雙向轉(zhuǎn)運(yùn)，同時(shí)也有大量mRNA在菟絲子和桃蚜中進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)運(yùn)。”吳建強(qiáng)說，有趣的是，有少量的mRNA通過菟絲子從黃瓜轉(zhuǎn)運(yùn)到桃蚜和從桃蚜轉(zhuǎn)運(yùn)到黃瓜的葉片及根，表明菟絲子可能在一定程度上介導(dǎo)了其寄主與蚜蟲的互作。這是首次發(fā)現(xiàn)在昆蟲—寄生植物—寄主植物三者之間跨界的雙向mRNA信息交流。

他們還對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)的mRNA進(jìn)行了特征分析。結(jié)果表明，長(zhǎng)度較長(zhǎng)和表達(dá)量較高的mRNA，更傾向于被轉(zhuǎn)運(yùn)。轉(zhuǎn)運(yùn)的mRNA在受體物種的總mRNA中的占比較低，平均在 0.04%～ 1.3%。

菟絲子受到桃蚜取食脅迫之后，其與黃瓜葉中激素變化趨勢(shì)一致，表現(xiàn)為茉莉酸含量升高、水楊酸降低；而黃瓜根中茉莉酸含量降低、水楊酸含量升高，這意味著抗蟲性信號(hào)從菟絲子傳遞到黃瓜葉和根中，導(dǎo)致菟絲子、黃瓜葉和根對(duì)桃蚜取食產(chǎn)生了抗蟲響應(yīng)。

此外，桃蚜取食脅迫在菟絲子中誘導(dǎo)的差異表達(dá)基因較少，而黃瓜葉和根中差異表達(dá)基因相對(duì)較多，說明在轉(zhuǎn)錄水平上寄主對(duì)菟絲子信號(hào)響應(yīng)要比菟絲子對(duì)桃蚜的信號(hào)響應(yīng)更強(qiáng)烈。

“基于以上研究結(jié)論，我們提出昆蟲—寄生植物—寄主植物三者之間跨界雙向mRNA交流的觀點(diǎn)，這對(duì)深入了解昆蟲—寄生植物—寄主植物之間的多重互作關(guān)系有著重要意義。”吳建強(qiáng)表示，這個(gè)研究說明了三者間復(fù)雜且動(dòng)態(tài)變化的相互作用關(guān)系，將更進(jìn)一步揭示植物與昆蟲間互作的秘密，為生物防治提供新的方法和理論基礎(chǔ)。