近日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院劉玉樂團(tuán)隊在植物氣傳性免疫的分子機(jī)制及病毒的反防御機(jī)制方面取得了研究進(jìn)展。相關(guān)研究成果已發(fā)表在國際權(quán)威期刊《Nature》(IF=64.8)上。

植物在感受到環(huán)境刺激時會產(chǎn)生揮發(fā)性化合物（volatile organic compounds，VOCs），其能作為空中線索發(fā)揮作用，被鄰近的接收植物感知以引起防御，這種現(xiàn)象被稱為氣傳性免疫（airborne defense，AD）。盡管幾十年來，在許多物種中都觀察到了這種植物間通訊（plant-plant communication，PPC）現(xiàn)象，并認(rèn)識到其重要的生物學(xué)和生態(tài)學(xué)意義，然而，VOCs介導(dǎo)的PPC（包括 AD）的分子遺傳框架在很大程度上還不清楚。此外，除乙烯受體外，植物感知其他VOCs的受體也一直未被鑒定。

蚜蟲是全球最具破壞性的農(nóng)業(yè)和園藝害蟲，蚜蟲以韌皮部為食，對作物生產(chǎn)造成廣泛破壞。蚜蟲的攻擊會誘導(dǎo)植物釋放VOCs，其主要成分是水楊酸甲酯（methyl salicylate，MeSA）。MeSA有助于植物抵御食草昆蟲（包括蚜蟲）的侵襲，如驅(qū)趕、吸引天敵或降低這些昆蟲的生存能力。但是 MeSA 如何作為植物間通訊信號來激活相鄰接收植物的抗蚜蟲防御功能卻是一個長期未解決的問題。例如，目前還不清楚植物是否擁有感知空氣中MeSA 的受體系統(tǒng)。在蚜蟲侵襲期間啟動 MeSA 生成的機(jī)制也不甚明了。此外，盡管有報道稱 MeSA 可介導(dǎo)煙草花葉病毒（TMV）的抗藥性，但蚜蟲和病毒是否以及如何調(diào)控抗藥性仍有待闡明。

在這一研究中，劉玉樂團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)蚜蟲叮咬植物后，植物會產(chǎn)生MeSA，這些MeSA揮發(fā)到空氣中能夠被臨近植物中的MeSA受體蛋白水楊酸結(jié)合蛋白-2（SA-binding protein-2，SABP2）感知結(jié)合，并將其轉(zhuǎn)化為水楊酸（salicylic acid, SA）。SA激活轉(zhuǎn)錄因子NAC2，上調(diào)水楊酸羧基甲基轉(zhuǎn)移酶1（SA-carboxylmethyltransferase-1，SAMT1）基因的表達(dá)，從而產(chǎn)生更多的MeSA，誘導(dǎo)植物的抗蚜蟲免疫，從而降低病毒的傳播。

另外，劉玉樂團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)一些蚜蟲傳病毒能夠編碼含有解旋酶結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)與NAC2蛋白相互作用，改變NAC2蛋白的亞細(xì)胞核定位至細(xì)胞質(zhì)中，促使NAC2在細(xì)胞質(zhì)中被26S蛋白酶體降解，從而負(fù)調(diào)控NAC2-SAMT1通路，抑制蚜蟲叮咬植物中MeSA的合成和揮發(fā)，阻斷植物間“預(yù)警”通訊，促進(jìn)蚜蟲對鄰近植物的侵染和對病毒的傳播。這一發(fā)現(xiàn)揭示了植物氣傳免疫的分子機(jī)制及病毒的反防御機(jī)制、揭示了全新的蚜蟲-病毒之間的共進(jìn)化的互惠方式。

植物氣傳性免疫的分子機(jī)制示意圖

文章中，在進(jìn)行螢火蟲熒光素酶片段互補(bǔ)圖像技術(shù)（LCI） 檢測時，使用了博鷺騰 PlantView系列植物活體成像系統(tǒng)檢測熒光素酶活性。

論文鏈接：http://10.1038/s41586-023-06533-3