《中国科学院微生物所虫媒微生物团队受邀综述植物虫媒病原抗性机制》

  • 来源专题:生物安全知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: hujm
  • 发布时间:2020-12-04
  •  多数病原微生物通过媒介昆虫(简称虫媒)通过刺吸和吸血等取食过程从感染宿主传播给健康宿主,引起虫媒疾病。多数虫媒病毒病至今缺乏像临床药物和疫苗等在内的有效控制手段,在人及动植物领域,对于新发突发虫媒病毒病均只能在暴发后采取被动控制措施。

      中国科学院微生物研究所是国内最早开展虫媒病害研究的科研机构之一,周家炽先生是我国第一个病毒研究室的创始人,他早期通过研究线虫传小麦蜜穗病的发生规律,在1946年发表研究论文,提出通过土壤线虫媒介的控制来实现对病害细菌的防治策略(1),最终我国成功的消灭了这种病害。研究虫媒病害循环中微生物—昆虫—植物这三种生命形式互作的分子信号和分子机制,阐明影响三者互作的非生物环境因子作用机制,是发展高效绿色防控策略的理论基础,也为虫媒病害的物理、化学和生物防控提供直接方案,是我国粮食安全、农业生物安全和农业可持续发展的有力保障。

      中国科学院微生物研究所在植物病毒学家方荣祥院士的带领下,近年聚焦我国重要的作物虫媒病毒和细菌病害的抗性机制和致病机制研究。由于以往研究植物虫媒病害往往注重于病原微生物和植物寄主二个方面,而实际上参与病害发生的生物因子还有传播介体生物,构成了植物病害的微生物病原—传播介体—植物寄主三元生物因子互作系统(三者互作),该团队在国内较早开展植物虫媒病毒三者互作的分子生物学研究,取得了系列原始创新成果, 在Science Advances, Nature Communications, Plant Cell, PLoS Pathogens等重要刊物发表了一批研究论文,获得了国际同行的广泛认可和好评。

       最近该团队受邀发表了题为“Plant Defense Networks against Insect-Borne Pathogens”论文,系统地综述了该团队及国内外同行在植物虫媒病原抗性领域的最新进展。植物通过三种广谱抗性机制,即先天免疫(图1),抗性激素途径(图2)和基因沉默途径,介导了对虫媒病原微生物以及媒介生物双重胁迫的广谱抗性。病原微生物以及媒介昆虫通过分泌各种效应蛋白进入植物,对抗植物的抗虫媒病原微生物的抗性网络,实现了病原微生物的植物—植物间的传播并最终导致了病害流行。该团队提出基于三者互作理论创新植物虫媒病害防控的思路,通过基因组编辑技术发展既抗病又抗媒介昆虫的双抗策略,以及通过媒介昆虫的行为调控剂等发展可持续的虫媒病害控制理论。

      该论文于2020年12月1日在国际主流植物生物学期刊Trends in Plant Science在线发表(DOI:10.1016/j.tplants.2020.11.009)。叶健研究员为该论文的第一作者和通讯作者,方荣祥研究员为共同通讯作者,张莉莉研究员为共同第一作者,作者中还包括张璇助理研究员和博士研究生吴秀娟。该研究得到国家自然科学基金委重点项目和国家重点研发反向病原学及柑橘黄龙病项目的支持。

  • 原文来源:http://www.im.cas.cn/xwzx2018/kyjz/202012/t20201203_5807500.html;
相关报告
  • 《微生物所叶健团队揭示红光调控植物抗虫媒病毒新机制》

    • 来源专题:生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:hujm
    • 发布时间:2021-01-13
    • 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。
  • 《微生物所张杰研究组在MOLECULAR PLANT合作发表植物免疫机制综述论文》

    • 来源专题:生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:hujm
    • 发布时间:2020-09-14
    • 植物时刻面临多种微生物的侵染威胁,在与微生物长期的相互作用中形成了多层次的防御机制。一些病原微生物通过多种策略克服植物多层次的免疫机制,引发病害。由农作物病虫害导致的全球主要粮食作物的产量损失约为17%至30%,严重威胁粮食安全。为减少农作物病虫害发生,大量化学农药的施用给环境带来巨大负担,威胁人类健康。深入理解植物免疫机制是发展绿色、高效农作物病害防控技术的重要基础。   2020年9月8日,美国科学院院士、杜克大学董欣年教授,中国科学院遗传与发育生物学研究所周俭民研究员,美国加州大学戴维斯分校Gitta Coaker教授,中国科学院微生物研究所张杰研究员合作在MOLECULAR PLANT在线发表题为“Plant Immune Mechanisms: from Reductionistic to Holistic Points of View”的展望综述论文。论文系统总结了植物多层次的免疫和防御机制研究进展,包括植物细胞外免疫,如气孔免疫、根际免疫和胞间免疫;植物细胞表面免疫受体和胞内免疫受体介导的免疫识别和信号传递、不同类型免疫受体之间的交叉调控;非典型抗性基因介导的防御反应、维管束免疫反应、植物组织和细胞免疫反应异质性;植物免疫的翻译调控、生物钟与植物免疫调控等。   论文还展望了植物免疫机制研究中尚未解决的前沿科学问题,以及植物免疫基础研究在农作物抗病性扩展和改良中的潜在价值。对植物免疫机制的全面理解和深度解析可以指导农业生产的可持续增长。高效利用广谱抗性机制和不同的植物抗性基因,对作物抗病性改良具有重要的应用潜力。通过植物免疫基础研究,了解植物如何自然地调节免疫反应,解析免疫和抗病基因激活机制和信号调控网络,将为防控一些极具破坏性的植物病害提供理论指导和技术支撑。