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《植保所构建国际首个双生病毒-植物-昆虫数据库》

  • 来源专题：农业生物安全
  • 编译者： 李周晶
  • 发布时间：2023-05-31

  • 中国农科院植保所作物病原生物功能基因组研究创新团队联合浙江大学李飞教授团队构建了国际首个双生病毒-植物-昆虫数据库GPIBase（Geminiviridae-Plant-Insect Database），研究成果“GPIBase: A comprehensive resource for geminivirus-plant-insect research”在线发表于 Molecular Plant（IF =" 21.949）。该数据库提供了最完整的双生病毒、病毒寄主信息、病毒媒介遗传信息，病毒-植物-昆虫互作信息以及多种在线工具，可实现相关文献同步更新，并初步搭建了国际双生病毒研究人员社区。

    双生病毒科（ Geminiviridae ）病毒是全球范围内危害植物最严重的病原物之一，也是植物病毒中唯一具有孪生颗粒形态的单链环状DNA病毒，为双连体结构。双生病毒有520多种，可通过烟粉虱、叶蝉和蚜虫等传播，侵染多种重要经济作物，如棉花、番茄、烟草、木薯及各类瓜果等，在全世界农作物上引起严重病害，造成重大经济损失。

    GPIBase共包括五大主要模块：1）“Browse”：包括双生病毒、病毒宿主、病毒寄主以及病毒伴随卫星β信息的完整搜索与下载，同时详情界面提供了全面的基础与遗传信息；2）“Network”：将病毒-植物-昆虫的互作关系通过网络结构进行可视化，直观分析不同病毒、宿主和寄主的关系；3）“Phylogeny”：基于双生病毒全基因组序列比对，构建了目前最为全面的双生病毒科的系统发育关系；4）“Tools”：提供了BLAST功能进行病毒基因蛋白的比对与搜索；5）“Literature”：及时更新双生病毒相关的研究进展，同时通过分析双生病毒文献作者，初步构建了国际双生病毒研究人员社区。该数据库为双生病毒的后续研究提供了便捷和重要基础。

  • 原文来源：https://ipp.caas.cn/kyjz/21e02920c9e74c7bb02f6db81f59abe3.htm
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    • 病害三角（disease triangle）是描述疾病流行规律的理论，该理论指出“病害三要素”为致病病原生物、易感宿主和适合的环境条件三者相互作用才能引起侵染性病害。已知超过1480种植物病毒中，近80%由媒介昆虫传播，植物虫传病毒是制约我国农作物高产稳产的主要因素之一。以往作物病毒病害的研究注重于病毒和植物宿主两个方面，而实际上参与病毒传播、病害发生的因子还有传毒媒介昆虫以及光照、温度、气候、生物周期节律等环境因子。作为人类赖以生存的最重要生化反应，植物光合作用主要吸收红光和蓝紫光并存储为化学能，最终为人类和其他动物提供必需的食物和能量。光作为主要的环境因子，不仅调控植物生长发育的每个环节，而且同病害的流行爆发紧密相关。然而光是如何影响植物抗病性，病原微生物又是如何适应宿主抗性机制从而促进自身的传播等问题，尚亟待得到科学解答。 近日，中国科学院微生物所叶健课题组在PLoS Pathogens在线发表了题为Red-light is an environmental effector for mutualism between begomovirus and its vector whitefly的研究论文。该研究发现植物双生病毒卫星DNA编码的βC1蛋白可以通过靶向光信号途径的PIF转录因子家族调控的虫媒病毒抗性，促进虫媒病毒的快速传播，揭示了光调节双生病毒-烟粉虱-植物三者互惠共生的新机制。 　　本研究在前期工作的基础上，进一步以双生病毒中国番茄黄化曲叶病毒TYLCCNV与卫星DNA形成的侵染复合物为研究对象，发现双生病毒卫星感病植物和对媒介昆虫烟粉虱的吸引作用只有在光照条件下才会发生，而在黑暗条件下不会发生（图1A和1B）。已有研究表明βC1是病毒编码的关键决定因子，进一步利用单色光LED灯箱进行昆虫双选择实验，发现βC1转基因植物只有在红光和含有红光的白光条件下发生，而在黑暗、远红光和蓝光条件下没有显著差异 (图1C)。烟粉虱等大多数昆虫的视觉系统缺乏红光受体，是“红色色盲”，所以这种光依赖的烟粉虱选择行为改变主要是病毒感染植物后影响了昆虫嗅觉识别植物。 当植物受到昆虫取食后，会产生一系列的化学挥发物来调控昆虫的行为来趋避食草昆虫，其中萜烯类化合物 (Terpenes) 是植物挥发物中最丰富的一类化合物，研究报道部分倍半萜和单萜会趋避昆虫。该研究通过酵母双杂交筛选实验鉴定到光信号中的关键蛋白光敏色素互作蛋白 (PHYTOCHROME-INTERACTING FACTOR 3, PIF3) 可以与βC1蛋白互作，进一步Co-IP实验证明PIF3与βC1在光照和黑暗条件下均可以在植物体内互作 (图2A)。PIFs蛋白可以直接结合萜烯合酶 (Terpene synthase，TPS) 基因的启动子促进其转录 (图2B和2C)，因此在PIF过表达的植物中，介体昆虫烟粉虱的产卵量减少、伪蛹发育缓慢 (图2D和2E)，说明PIFs蛋白具有直接的抗虫作用。通过竞争性BiFC和pull-down实验发现βC1蛋白可以通过干扰PIF蛋白二聚体的形成不同程度的抑制其转录激活活性 (图2C)。 植物激素茉莉酸（jasmonic acid, JA）是一种介导植物抗虫的重要激素，转录因子MYCs是JA途径中的关键调控因子。MYC家族转录因子调控下游多种抗虫相关次生代谢物质的合成代谢相关基因，包括TPS基因。该课题组早期研究发现双生病毒βC1可以靶标MYC2, 通过干扰其二聚体的形成抑制MYC2-介导植物抗虫反应，与其媒介昆虫烟粉虱形成的互惠共生关系（Li et al. Plant Cell 2014）。PIF蛋白参与植物多个信号通路以参与发育过程以及不同的胁迫响应，包括光和JA途径。研究报道AtPIF4与AtMYC2相互作用，该研究还发现AtPIFs-AtMYC2的互作在一定程度上抑制了TPS基因的表达，而βC1可以促进AtPIF4-AtMYC2异源二聚体的互作进而进一步抑制TPS的表达，促进昆虫的取食。结合以上研究结果该论文提出以下工作模型：在健康植物中，PIFs和MYC2形成同源二聚体，结合在TPS基因启动子的不同区域，共同调节TPS基因表达，从而趋避烟粉虱；当植物受到双生病毒感染后，βC1一方面可以抑制PIFs或MYC2同源二聚体的形成，一方面又可以促进PIF- MYC2异源二聚体的形成，最终抑制了植物对烟粉虱的抗性反应，促进烟粉虱的取食，促进病毒的传播与扩散。本研究解析了光和JA信号共同调节病毒-昆虫-植物三者互作的新机制，为防控虫媒病害提供新的靶点，也为实现利用单色LED灯绿色防控双生病毒病害提供理论依据。 该文章由叶健课题组的副研究员赵平芝、助理研究员张璇和已毕业硕士研究生龚雨晴为共同第一作者，课题组王端、王宁、孙艳伟、高连博为文章的共同作者。值得一提的是，该研究得到了方荣祥院士、北京大学邓兴旺院士、美国加州大学戴维斯分校Daniel J. Kliebenstein教授、中国农业科学院植物保护研究所周雪平教授、南京农业大学教授许冬清、浙江大学刘树生教授的大力支持，也为该文的共同作者，叶健研究员为通讯作者。感谢清华大学陈浩东教授和中国农业大学李继刚教授提供了宝贵的抗体材料。该研究受到国家自然科学基金重点项目、国家重点研究和发展计划生物安全专项、国家相关人才计划等项目的支持。
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