昆蟲與植物間跨界交流的秘密被破解

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它植物獲得營養(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，對菟絲子和寄主之間的物質和信號轉運研究已經有了一些進展。但是，在菟絲子與寄主組成的這個生態(tài)系統(tǒng)中，當昆蟲取食菟絲子時，昆蟲與菟絲子以及寄主植物三者之間又發(fā)生了什么樣的聯系？

我國科學家近日在英文期刊《植物多樣性》上發(fā)表的一篇題為“桃蚜、菟絲子寄生蟲和黃瓜寄主植物間的種間跨界交流轉移”的研究成果，刷新了人們的認知。

轉運mRNA或作為長距離運輸信號發(fā)揮生物學功能

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，在那里作為蛋白質合成模板，并決定基因表達蛋白產物肽鏈的氨基酸序列。

目前，約有4500種寄生植物被發(fā)現，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，以獲取無機鹽、水分和營養(yǎng)物質等。此外，寄主中的次生代謝產物、mRNA、蛋白質甚至病毒和類病毒等物質也可轉運到寄生植物中。

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交流的通道。已有轉錄組學研究表明，菟絲子和寄主在沒有任何生物或者非生物脅迫的狀態(tài)下已經存在著上千個mRNA的交流，而且轉運的mRNA可能作為一種長距離運輸的信號發(fā)揮生物學功能。

桃蚜是一種廣食性的蚜蟲，據相關文獻顯示，其寄主植物可多達74科285種，其生活周期短、繁殖量大，除刺吸植物體內汁液，還可分泌蜜露，引起煤污病，影響植物正常生長；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。

“桃蚜對農業(yè)生產有重大威脅，同時也是為數不多的可以取食菟絲子的刺吸式昆蟲之一，而且相對于菟絲子的寄主來說，桃蚜更喜歡取食菟絲子。”中國科學院昆明植物研究所吳建強研究員介紹說，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，并且也向植物體內轉運多種蛋白、mRNA及病毒等大分子。

目前，在菟絲子和寄主兩者之間的物質和信號轉運研究較多，尤其是mRNA的轉運研究較為豐富。而在桃蚜、菟絲子及寄主構成的三營養(yǎng)級互作體系里，桃蚜—菟絲子—寄主三者之間mRNA信息交流的研究還沒有報道。

mRNA在昆蟲—寄生植物—寄主植物間跨界交流

吳建強帶領的研究團隊在建立菟絲子和寄主黃瓜寄生體系的基礎上，利用桃蚜取食菟絲子，從而對菟絲子進行生物脅迫，重點探究了桃蚜、菟絲子以及黃瓜葉和根之間mRNA的轉運。

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

他們還對轉運的mRNA進行了特征分析。結果表明，長度較長和表達量較高的mRNA，更傾向于被轉運。轉運的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一致，表現為茉莉酸含量升高、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從菟絲子傳遞到黃瓜葉和根中，導致菟絲子、黃瓜葉和根對桃蚜取食產生了抗蟲響應。

此外，桃蚜取食脅迫在菟絲子中誘導的差異表達基因較少，而黃瓜葉和根中差異表達基因相對較多，說明在轉錄水平上寄主對菟絲子信號響應要比菟絲子對桃蚜的信號響應更強烈。

“基于以上研究結論，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，這對深入了解昆蟲—寄生植物—寄主植物之間的多重互作關系有著重要意義。”吳建強表示，這個研究說明了三者間復雜且動態(tài)變化的相互作用關系，將更進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。（本報記者 趙漢斌）