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PNAS | 华中农大团队揭示褐飞虱唾液蛋白劫持水稻激酶,抑制免疫促其取食

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水稻作为全球半数以上人口的主粮,常年面临褐飞虱的致命威胁。这种专食性刺吸式害虫不仅吸食汁液,还能传播病毒,严重时可导致颗粒无收。近日,华中农业大学植物科学技术学院王满囷教授团队在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发表了一项突破性研究,揭示了褐飞虱如何利用一种“非常规武器”——气味结合蛋白NlOBP1b,巧妙操控水稻的免疫开关,为自身取食扫清障碍。


传统上,气味结合蛋白(OBP)被认为主要参与昆虫的嗅觉感知,帮助它们寻找寄主、交配产卵。然而,该团队发现,褐飞虱唾液腺中高表达的NlOBP1b被大量分泌到水稻体内,发挥起效应子的全新功能。通过RNA干扰技术抑制NlOBP1b的表达后,褐飞虱的取食能力显著下降,死亡率上升,体重增加和蜜露分泌量均明显减少。反过来,在水稻中异源表达NlOBP1b后,害虫的取食表现反而更加优异。这表明,这种蛋白正是褐飞虱“反客为主”的关键工具。

深入分子机制,研究团队发现NlOBP1b精准靶向了水稻细胞内的蛋白激酶复合物——酪蛋白激酶2(OsCK2)。OsCK2由催化亚基(α)和调节亚基(β)组成,在水稻的抗虫防御中扮演着正调控角色。当褐飞虱取食时,水稻会激活OsCK2,进而启动水杨酸合成和木质素沉积等防御反应。但NlOBP1b的出现打破了这一平衡:一方面,它与OsCK2β3亚基结合,阻断了β3与α2形成有活性的全酶复合物,从而抑制水杨酸的积累;另一方面,它又与OsCK2β4竞争性结合,阻止了转录因子OsTGA5被β4-α2复合物识别和磷酸化。未被磷酸化的OsTGA5转录激活能力大幅下降,导致其下游的木质素合成关键基因Os4CL3和Os4CL4表达受阻,最终降低了水稻细胞壁的木质素含量,削弱了这道物理屏障。


为验证这一通路的生物学意义,研究者利用CRISPR/Cas9技术分别敲除了OsCK2β3、OsCK2β4、OsCK2α2以及OsTGA5基因。所有突变体水稻在遭受褐飞虱侵害时,均表现出更严重的受害症状,害虫的取食量、体重增加和蜜露排泄量均显著高于野生型水稻。同时,在敲除突变体上,NlOBP1b的干扰效应也消失了,证实了该效应子完全依赖于OsCK2-OsTGA5-木质素这条防御轴线。

这项研究不仅将气味结合蛋白的功能版图从嗅觉拓展到了植物-昆虫互作领域,更首次揭示了昆虫效应子通过“一箭双雕”的方式——同时干扰激酶复合物的组装及其对下游转录因子的磷酸化——来瓦解植物免疫的精细策略。论文通讯作者王满囷教授表示,NlOBP1b及其靶向的OsCK2模块有望成为未来抗虫水稻分子育种的理想靶点,通过切断害虫的“免疫破坏”路径,为绿色防控提供新思路。

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