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Cell突破 | 黑龙江大学等多单位合作,张友军等团队揭示烟粉虱“吃遍”植物界的潜在机理:基因转移帮的忙

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(图片来源:摄图网)

本文原创首发公众号:iNature

微信号 :Plant_ihuman

植物通过大量有毒的次生代谢产物来保护自己,但大多数植物却充当昆虫的食物。允许草食性昆虫抵抗植物防御的进化过程在很大程度上仍然未知。烟粉虱是一种国际化的,高度多食性的农业害虫,可携带几种严重的植物病原病毒,是探索植物防御机制的分子机制的绝佳模型

2021年3月25日,中国农业科学院蔬菜花卉研究所,黑龙江大学,列克星敦大学等多单位合作,张友军及Ted C.J. Turlings共同通讯在Cell 在线发表题为”Whitefly hijacks a plant detoxification gene that neutralizes plant toxins“的研究论文,该研究表明,通过异常的水平基因转移事件,烟粉虱已获得了植物来源的酚类葡萄糖苷丙二酰转移酶基因BtPMaT1。

该基因使烟粉虱能够中和酚类葡萄糖苷。通过对番茄植物进行基因改造以产生能使BtPMaT1沉默证实了这一点,从而削弱了粉虱的解毒能力。这些发现揭示了一种进化情景,食草动物利用其宿主植物的遗传工具来发展对植物防御的抵抗力,以及如何将其用于作物保护。

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在与昆虫食草动物共同进化的4亿多年中,植物已经形成了高度多样化的形态学,分子以及生化谱防御昆虫。在生化防御中,植物次生代谢产物是最多样化和最有效的武器,可归因于草食动物与植物的共同进化。

酚糖苷是最丰富的植物次生代谢产物之一,它由与酚糖苷配基结合的糖单元组成。它们强烈影响昆虫食草动物的生长,发育和行为。在植物中,酚糖苷的重要修饰涉及其丙二酰化作用,其受酚糖苷丙二酸转移酶的调节。这些酶可以催化丙二酰基从丙二酸辅酶A(CoA)转移到酚糖苷,并在包括异种生物解毒在内的各种过程中发挥重要作用。

某些专门的昆虫,特别是以杨柳科树木为食的昆虫,也可以轻松应对酚糖苷,甚至可以将它们用作饲料和产卵刺激剂。它们通过使用特定的解毒酶,降低β-葡萄糖苷酶的酶活性,直接隔离酚醛糖苷或将其转化为水杨醛来中和防御性酚醛糖苷。但是,尚不知道允许具有广泛宿主植物的昆虫克服酚类糖苷作用的机制。

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文章模式图(图源自Cell  )

烟粉虱是至少30种隐性物种的物种复合体,其中某些物种(例如,地中海[MED]和中东小亚细亚1 [MEAM1])是最具破坏力的农作物病虫害之一。暴发流行于世界各地,而烟粉虱可通过吃韧皮部,传播植物病毒而严重降低农作物的产量。它具有极强的多食性,已经记录了600多种寄主植物,并且表现出出色的寄主适应性。它的大多数寄主植物都含有酚糖苷,揭露烟粉虱如何应对这些防御代谢产物可以帮助解释其普遍的寄主适应性。

在这里,使用生物信息学,分子和生化方法,结合昆虫性能测定,该研究显示了烟粉虱基因组具有植物特异性水平转移基因BtPMaT1,该基因编码酚醛糖苷丙二酰转移酶,能够使酚糖苷解毒。该发现揭示了烟粉虱通过其克服其宿主植物防御能力的非凡能力而发展出的出乎意料的途径。此外,该研究表明,干扰烟粉虱中这种植物来源的基因的功能可能是控制这种极为重要的全球害虫的高效方法。

参考消息:

http://doi.org/10.1016/j.cell.2021.02.014

编者按:本文转载自微信公众号:iNature(ID:Plant_ihuman),作者:枫叶


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