精妙操控昆蟲和寄主，植物病毒扮演“幕后黑手”

植物病毒嚴(yán)重威脅全球的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，其擴(kuò)散傳播主要依賴于昆蟲媒介，然而人們對植物病毒與昆蟲媒介如何精妙互作進(jìn)而加速其傳播擴(kuò)散的機(jī)制仍“知之甚少”。

番茄黃化曲葉病毒的葉子。中國農(nóng)科院蔬菜所供圖

近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所研究員張友軍團(tuán)隊(duì)揭示了由寄主植物氣味因子介導(dǎo)的病毒—寄主植物—媒介昆蟲三者互作新機(jī)制，闡明了寄主植物介導(dǎo)的植物病毒操控媒介昆蟲行為的分子生態(tài)機(jī)制。相關(guān)成果于2月28日發(fā)表于國際期刊《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。

氣味因子：信號傳遞的介質(zhì)

論文通訊作者張友軍介紹，番茄黃化曲葉病毒（Tomato Yellow Leaf Curl Disease Virus，番茄黃化曲葉病毒）是由煙粉虱特異性傳播的一種毀滅性病原體，在部分易感番茄品種中觀察到高達(dá)100%的產(chǎn)量損失，對全球番茄生產(chǎn)造成重大威脅，因此成為研究植物病毒—寄主植物—媒介昆蟲互作的重要實(shí)驗(yàn)材料。

健康番茄葉子（左）和感染黃化曲葉病毒的番茄葉。中國農(nóng)科院蔬菜所供圖

多年的田間監(jiān)測和實(shí)驗(yàn)室研究，張友軍團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，目前在中國廣泛分布的Q煙粉虱對于番茄黃化曲葉病毒侵染番茄表現(xiàn)出了獨(dú)特的偏好性，這種偏好性導(dǎo)致了Q煙粉虱能夠更快速的完成番茄黃化曲葉病毒病毒的傳播。

“然而，Q煙粉虱為什么偏好番茄黃化曲葉病毒侵染的番茄一直不清楚，而這對于田間番茄黃化曲葉病毒和煙粉虱的防控又至關(guān)重要，為此我們進(jìn)行了長達(dá)五年的探索研究”張友軍說。

論文共同通訊作者、蔬菜所研究員謝文介紹，在研究中我們發(fā)現(xiàn)，番茄黃化曲葉病毒侵染番茄后，Q煙粉虱對番茄釋放的氣味物質(zhì)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸引趨性，氣味因子很可能就是病毒-寄主植物-煙粉虱三者互作中的關(guān)鍵介質(zhì)信號。

月桂烯：吸引昆蟲媒介的“關(guān)鍵因子”

謝文介紹，通過比較分析病毒侵染前后的氣味因子變化，他們共發(fā)現(xiàn)了12個受到番茄黃化曲葉病毒調(diào)控的候選氣味因子，其中僅有月桂烯能夠在各種濃度下吸引Q煙粉虱。

“為了驗(yàn)證番茄黃化曲葉病毒是通過操縱揮發(fā)物月桂烯吸引Q煙粉虱，我們在健康的番茄上添加了月桂烯，發(fā)現(xiàn)Q煙粉虱無法分辨出添加了月桂烯的健康番茄和番茄黃化曲葉病毒侵染的番茄。這證實(shí)月桂烯就是番茄黃化曲葉病毒侵染番茄吸引Q煙粉虱的關(guān)鍵因子?！敝x文說。

為了探索番茄黃化曲葉病毒如何操縱番茄中月桂烯的釋放濃度變化，他們通過篩選發(fā)現(xiàn)了2個可能的月桂烯合成基因TPS3和TPS7，利用CRISPR-Cas9技術(shù)構(gòu)建了基因敲除的轉(zhuǎn)基因番茄品系。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，敲除這兩個基因后，番茄中無法檢測到月桂烯的存在。進(jìn)一步利用轉(zhuǎn)基因番茄設(shè)計(jì)選擇試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Q煙粉虱無法分辨轉(zhuǎn)基因番茄是否被番茄黃化曲葉病毒侵染。這證實(shí)了番茄黃化曲葉病毒就是通過操縱TPS3和TPS7進(jìn)而控制月桂烯的含量來吸引Q煙粉虱。

煙粉虱氣味受體：神奇的突變位點(diǎn)

論文第一作者、蔬菜所畢業(yè)博士梁鵬介紹，發(fā)現(xiàn)了月桂烯這一關(guān)鍵氣味因子后，他們進(jìn)一步對Q煙粉虱的嗅覺核心元件氣味受體進(jìn)行了研究。

他們通過一系列實(shí)驗(yàn)確定，氣味受體OR6可以特異性結(jié)合月桂烯，病毒在進(jìn)入Q煙粉虱體內(nèi)后，抑制了OR6基因的表達(dá)，使得Q煙粉虱失去了對番茄黃化曲葉病毒侵染番茄的偏好性。將OR6基因干擾后，發(fā)現(xiàn)Q煙粉虱對添加月桂烯番茄和番茄黃化曲葉病毒侵染番茄的趨性都消失了，這表明OR6是Q煙粉虱感知月桂烯的關(guān)鍵嗅覺受體。

梁鵬介紹，獲得這一結(jié)果后，他們對其它煙粉虱種群為什么無法定位番茄黃化曲葉病毒侵染番茄也迸發(fā)出了強(qiáng)烈的好奇心，于是克隆分析了OR6基因在不同煙粉虱種群中的序列。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)Q煙粉虱中OR6基因的204位點(diǎn)出現(xiàn)了突變，Y204F的突變導(dǎo)致只有Q煙粉虱OR6可以特異性結(jié)合月桂烯，這解釋了為什么只有Q煙粉虱可以通過月桂烯定位番茄黃化曲葉病毒侵染番茄。

謝文進(jìn)一步說，番茄黃化曲葉病毒為了完成快速傳播，進(jìn)化出了獨(dú)特的“操縱”能力，通過操縱寄主植物揮發(fā)物信號，激活媒介昆蟲嗅覺系統(tǒng)，吸引其快速完成獲毒過程，隨后抑制媒介昆蟲嗅覺系統(tǒng)，促使其離開病毒侵染植株完成病毒傳播。

該研究揭示了植物病毒—寄主植物—媒介昆蟲三者互作新機(jī)制，發(fā)現(xiàn)番茄黃化曲葉病毒既調(diào)控寄主植物番茄的月桂烯含量，又調(diào)控Q煙粉虱OR6基因的響應(yīng)變化，明確植物病毒可以精妙操控媒介昆蟲與寄主植物加速其擴(kuò)散傳播。

張友軍說，該結(jié)果為理解媒介昆蟲傳毒機(jī)制提供了新視角，也為研發(fā)病蟲害綠色防控技術(shù)奠定了重要理論基礎(chǔ)。