中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心李大鵬研究團隊與德國馬克斯普朗克化學生態(tài)研究所合作，首次揭示了植物如何巧妙組裝其特異性代謝產(chǎn)物應對農(nóng)業(yè)重大害蟲小葉蟬的非寄主抗性機制。北京時間2月4日，相關(guān)研究成果（Natural history–guided omics reveals plant defensive chemistry against leafhopper pests）以封面論文的形式，在線發(fā)表在《科學》（Science）上。該研究為探索植物昆蟲互作開辟了新的博物學驅(qū)動的多組學分析方法，并為植物如何特異性調(diào)度其化學“防御壁壘”抵抗昆蟲進攻提供了全新的代謝視角，這是植物對多食性昆蟲的非寄主抗性研究的重要突破。同時，該研究應用合成生物學的手段對農(nóng)作物首次進行植物非寄主抗性代謝改造，為農(nóng)業(yè)精準綠色防控技術(shù)提供全新可行性應用方案。

 

　　植物是天然的有機合成專家，由于其固著于土地之上，無法像動物一樣逃避傷害，因而植物進化出能夠生成結(jié)構(gòu)復雜多樣的特異性代謝產(chǎn)物以適應其復雜多變的生存環(huán)境。剖析植物特異性代謝產(chǎn)物的化學結(jié)構(gòu)、生物合成途徑、生理生態(tài)學功能以及這些小分子化合物如何在自然界發(fā)揮作用，是破譯植物“化學語言”；闡釋植物如何在逆境中安排和調(diào)度其復雜的“代謝武器”以在自然界中生存的關(guān)鍵，是理解生命體化學本質(zhì)的核心。然而，由于植物代謝組的復雜性與多樣性，多數(shù)植物代謝物的結(jié)構(gòu)和功能仍然未知。

 

　　小葉蟬（Empoasca leafhopper）是一種嚴重危害農(nóng)作物的世界性害蟲，其寄主范圍廣泛，繁殖率高，更嚴重的是小葉蟬能夠傳播多種植物病毒，每年造成嚴重作物減產(chǎn)及經(jīng)濟損失。目前的防治方法是大量噴灑農(nóng)藥，但防治效果有限且代價高昂。當前，植物的非寄主抗性集中在植物病原菌互作研究，由于昆蟲的高度取食自主權(quán)，植物對昆蟲的非寄主抗性機制尚不清楚。茉莉素是植物抗蟲的關(guān)鍵激素，先前研究發(fā)現(xiàn)小葉蟬會“竊聽”植物茉莉素激素的合成和響應能力，從而特異性地選擇茉莉素含量低的植物作為自己的寄主，但受茉莉素調(diào)控的下游直接發(fā)揮抗性功能的代謝物并不清楚。

 

　　本研究中，科研團隊在野外大田種植了由26個父母本雜交生成的共1816株重組自交系群體，這些自交系群體的基因背景各不相同，以供小葉蟬的“竊聽”和宿主選擇。當小葉蟬自由攻擊這些植物時，它們的攻擊率便可以用來幫助確定非寄主植物轉(zhuǎn)變?yōu)榧闹髦参锏倪z傳元素。該研究運用博物學驅(qū)動的正向遺傳學與反向遺傳學、轉(zhuǎn)錄組學及非靶向結(jié)構(gòu)代謝組學相結(jié)合的全新分析方式，鑒定到一種新的植物特異性代謝產(chǎn)物，其是植物對小葉蟬產(chǎn)生非寄主抗性的關(guān)鍵化合物，命名為CPH。研究顯示，該化合物是由非常規(guī)的茉莉素元件JAZi特異性調(diào)控的，植物只有在被小葉蟬而非其他昆蟲攻擊時，JAZi才會在被攻擊的葉片特異性表達，激活其調(diào)控的CPH合成。進一步研究發(fā)現(xiàn)，該化合物由一個乙酰轉(zhuǎn)移酶AT1、兩個多酚氧化酶PPO1和PPO2及一個小檗堿橋酶BBL2共同協(xié)調(diào)合作催化合成。該化合物凝結(jié)了3大代謝通路，其中一個關(guān)鍵合成通路是由植物綠葉揮發(fā)通路組成的，是植物揮發(fā)性間接防御的核心通路，另外兩個通路則參與植物的直接防御物質(zhì)合成。該研究首次剖析了植物的直接和間接防御通路是如何巧妙地“對話和調(diào)度”合成其代謝武器的。研究團隊利用合成生物學的手段將該代謝通路整合到番茄與蠶豆等作物中，設(shè)計出小葉蟬非寄主選擇的高抗作物。

 

　　20世紀60年代的農(nóng)業(yè)綠色革命增加了農(nóng)作物產(chǎn)量。當今，人口持續(xù)增長，全球氣候變暖引起的持續(xù)增長的干旱、真菌入侵及病蟲害，對未來農(nóng)業(yè)發(fā)展提出挑戰(zhàn)。植物是復雜精妙的化學設(shè)計師，該研究運用的博物學驅(qū)動的多組學分析及與合成生物學相結(jié)合的研究方法，將為挖掘植物數(shù)百萬年進化的化學創(chuàng)新手段，為設(shè)計第二代綠色革命高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)抗逆作物提供全新的代謝維度。在全球氣候變暖和全球草食動物日趨變化的世界中，投機型的植物昆蟲交互將成為未來自然和人造生態(tài)系統(tǒng)的主導交互模式，關(guān)于植物如何應對這種非寄主投機性交互的認知，將幫助我們設(shè)計可應對氣候變化的未來綠色抗逆作物。