Science | 植物大战“僵尸”：非寄主抗性中的进化竞赛与“代谢武器”

撰文 | 十一月

植物的小分子代谢产物组成复杂多样，在进化上植物产生独特的代谢组对外来害虫会进行非寄生抗性防御，这是植物进化出的“代谢武器”。如果能够对这一代谢组内容进行更为深入的理解，将有助于人们用更为绿色和健康的方法维护生态系统的稳定以及在作物中进行工程化生物合成抵御害虫的侵袭。

2022年2月4日，来自德国马克斯·普朗克化学生态学研所和中国科学院分子植物科学卓越创新中心的研究人员合作在Science发表了题为Natural history–guided omics reveals plant defensive chemistry against leafhopper pests的封面论文，揭开了自然界植物与害虫之间进化的新军备竞赛，为非寄主抗性以及植物保护的新型绿色革命提供了新的见解。

小叶蝉（Empoasca leafhoppers）危害农作物，并且会传播植物病毒，是一种严重的农业害虫。小叶蝉通过寻找和“窃听”植物的茉莉酸（Jasmonate，JA）信号，发现其想要进行攻击的植物【1】。植物中的茉莉酸信号会诱导产生一些代谢产物比如生物碱、蛋白酶抑制剂以及诱导挥发产物，这些对于寄生的害虫很有效，但是对于这些通过探测找到目标的叶蝉等非寄生类的害虫，这些产物无法起到攻击和防御效果。一般来说，防治害虫最重要以及最常见的方法是通过喷洒杀虫剂或者是异位表达杀虫蛋白，但是这两种方法对于生态环境都有很大的危害。因此，如果能找到植物体内本身具有防御武器以及其抗性机制，将加速作物抗性性状的培育，促进作物的高产【2,3】。

为此，作者们首先采用正向遗传策略，培育了650个渐狭叶烟草（N. attenuata）的重组自交系，希望对烟草非寄主抗性的分子生物学依据进行揭示。在此环境下，叶蝉数量很多，并且会对原生宿主黄瓜进行破坏。作者们通过高通量、多组学的方式对植物激素、转录组以及代谢组进行分析从而构建起了一个数据库。为了揭开该多组学数据库的遗传和代谢响应之间的关联，作者们首先将目光集中在了茉莉酸相关的基因之中，并构建了茉莉酸依赖的分子生物学功能模块。该网络显示，茉莉酸以及相关调控网络关键转录因子NaMYB8【4】是该基因网络的的基因枢纽，介导多种小分子代谢产物的调节和产生（图1）。

图1 多组学方式揭开田间种植的烟草品类对叶蝉的非寄生抗性答谢反应

作者们发现JA-JAZi作用模块会调节烟草对于小叶蝉的抗性，JA信号传导中的MYC2、MYB8以及JAZi参与烟草叶中对于小叶蝉的防御。作者们对几种已知的小分子代谢产物进行检测，发现香豆酰腐胺、咖啡酰腐胺、阿魏酰腐胺等酚酰胺类小分子对烟草所产生的抵抗没有直接作用，那么一定存在一种未知的神秘小分子帮助烟草抵御叶蝉的入侵。

为了找到这个小分子，作者们进行了质谱分析，其中发现了一个质荷比为 347.196的未知小分子。通过反向遗传学实验作者们证实了m/z 347.196小分子会特异性受到茉莉酸信号通路JA-JAZi作用模块的调节。进一步的，作者们又对m/z 347.196小分子生物信合成来源进行了分析，发现多酚氧化酶NaPPO1、NaPPO2以及小檗碱桥酶类似基因NaBBL2是体内生产m/z 347.196小分子所必需的。

为了阐明m/z 347.196小分子的结构，作者们对其进行了分离和纯化，通过对纯化产物进行核磁共振，作者们将该化学小分子产物的结构阐述为CP-5-(Z)-3-己烯化合物，简称为CPH。CPH的半衰期约为22小时。随后作者们希望在体外进行生物该小分子产物的生物合成 （图2） 。另外，作者们确认CPH正是烟草对叶蝉产生抵抗的关键因素，而想要在作物中进行生物合成，檗碱桥酶类似基因NaBBL2是必须的。

图2 CPH生物合成的理论路线

图3 工作模型

总的来说，该工作通过全方位、多组学的方式揭开了烟草与叶蝉非寄生抗性过程中具体基因调节网络以及关键小分子挥发性代谢产物CPH，为植物与与害虫之间的军备竞赛提供了新的见解。这一发现是对绿色革命新的补充，将有助于对作物抗性的性状进行进一步的优化和改造。

据悉，德国马克斯普朗克化学生态所白悦辰博士，Ian Baldwin教授以及中国科学院分子植物科学卓越创新中心李大鹏研究员为该论文的共同通讯作者，白悦辰博士为第一作者。

参考文献：

1. M. Kallenbach, G. Bonaventure, P. A. Gilardoni, A. Wissgott, I. T. Baldwin, Empoasca leafhoppers attack wild tobacco plants in a jasmonate-dependent manner and identify jasmonate mutants in natural populations. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, E1548–E1557 (2012). doi: 10.1073/pnas.1200363109; pmid: 22615404

2. A. Hayward et al., The leafcutter bee, Megachile rotundata, is more sensitive to N-cyanoamidine neonicotinoid and butenolide insecticides than other managed bees. Nat. Ecol. Evol. 3, 1521–1524 (2019). doi: 10.1038/s41559-019-1011-2; pmid: 31666734

3. S. Alseekh et al., Domestication of Crop Metabolomes: Desired and Unintended Consequences. Trends Plant Sci. 26, 650–661 (2021). doi: 10.1016/j.tplants.2021.02.005; pmid: 33653662

4. N. Onkokesung et al., MYB8 controls inducible phenolamide levels by activating three novel hydroxycinnamoyl-coenzyme A: polyamine transferases in Nicotiana attenuata. Plant Physiol. 158, 389–407 (2012). doi: 10.1104/pp.111.187229; pmid: 22082505

原文链接：

https://doi.org/10.1126/science.abm2948