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以子之矛攻子之盾!我科学家破解超级害虫“为害”密码

光明中土网 https://www.gmztw.cn 2021-03-27 19:51 出处:网络 作者:[db:作者]编辑:@光明中土网
  烟粉虱,一种看起来并不起眼的小昆虫,竟然被联合国粮农组织认定为世界第二大害虫,也是迄今为止唯一被称为“超级害虫”的农业害虫。

  烟粉虱,一种看起来并不起眼的小昆虫,竟然被联合国粮农组织认定为世界第二大害虫,也是迄今为止唯一被称为“超级害虫”的农业害虫。

  它不仅通过刺吸寄主植物韧皮部汁液对其造成直接伤害,还能分泌蜜露诱发煤污病等植物真菌病害,传播300余种植物病毒,超过600余种植物都是它的盘中餐。烟粉虱适应性极强,很容易暴发成灾。2009年,仅烟粉虱传播的番茄黄化曲叶病就给我国番茄产业造成了100多亿元的损失。

  小小昆虫为何“为害”本领如此巨大?它们如何练就强大生存技能?近日,我国科学家主导的科研团队破解了其中密码。过程之精彩和意外,堪称一部侦探片。

以子之矛攻子之盾!我科学家破解超级害虫“为害”密码

烟粉虱

  偷盗“解药”,动植物界上演“以子之矛攻子之盾”

  中国农业科学院蔬菜花卉研究所研究员张友军介绍,在大自然奇妙的进化过程中,植物能够产生一些有毒的物质来保护自己,减少昆虫侵害,如酚糖就是常见的植物防御化合物,主要由酚和糖苷组成,能抑制昆虫生长发育。通俗理解,酚糖就是植物用来攻击昆虫保护自身的“盾”。

  酚糖有毒,为了确保植物自身不被酚糖“毒”倒,植物给自己准备了“解药”,也可以理解为“矛”——酚糖丙二酰基转移酶(PMaT),由它催化的酚糖丙二酰基化反应在植物的生命过程中发挥重要的“解毒”作用。

  那么,问题来了,植物用来攻击昆虫的酚糖为何对烟粉虱奈何不得?烟粉虱为何有如此强的适应性?

  “植物的‘矛’被烟粉虱偷来,反而变成了攻击植物的‘盾’。”张友军给出了答案。

  原来如此!烟粉虱利用植物的矛(BtPMaT1基因)攻击植物的盾(酚糖),“以子之矛,攻子之盾”,从而获得广泛寄主适应性。

  这一令人大呼神奇的现象由中国农业科学院蔬菜花卉研究所张友军团队发现,研究成果于3月25日由《细胞》在线发表。这将为新一代靶标基因导向的烟粉虱田间精准绿色防控技术的研发提供全新思路。

  首次认证 植物和动物间存在功能基因转移

  揭开奥秘的过程有点意外,也让团队成员直呼神奇。

  张友军告诉记者,团队从2001年起开始探索烟粉虱寄主适应性机制。本次研究中,研究人员在番茄叶片上发现了防御毒素酚糖。由于过量的酚糖对番茄本身生长不利,番茄便利用一种PMaT基因来代谢酚糖。

  令人惊讶的地方在于,在对烟粉虱的研究中,研究人员利用生物信息学和分子生物学方法,发现在烟粉虱基因组内也存在一个基因BtPMaT1,且该基因在成虫的肠道中呈特异性表达。毒力测定和试验显示,BtPMaT1基因对番茄分泌的酚糖具有解毒功能,且该基因仅来自植物或少数真菌。

以子之矛攻子之盾!我科学家破解超级害虫“为害”密码

烟粉虱通过水平基因转移事件从植物获得PMaT1解毒基因

  这就意味着,原本只存在于植物或少数真菌身上的基因,如今转移到了昆虫的身体里,且这个基因不但一代代遗传了下来,而且能发挥重要作用——用来攻破植物保护自己的“盾”。

  这一过程被称之为水平基因转移,相对于垂直基因转移(亲代传递给子代),它打破了亲缘关系的界限,使基因流动的可能变得更为复杂。

  张友军告诉记者,这也是现代生物学诞生100多年来,首次研究证实植物和动物之间存在功能性基因水平转移现象。研究人员推测,本次基因的水平转移可能是因烟粉虱感染含有植物基因的病毒而发生的,转移时间在3.5千万~8.6千万年前,具体过程有待进一步研究。

  20年磨一剑 害虫精准防控有了新思路

  这一研究成果是我国农业害虫研究领域在《细胞》杂志的首篇论文,并被选为《细胞》的封面文章,将于2021年4月1日正式出版。

以子之矛攻子之盾!我科学家破解超级害虫“为害”密码

张友军(右一)和团队成员在观察番茄上烟粉虱的实验情况

  重大发现的背后是研究团队20年的坚守。20年间,不少团队成员从硕士、博士做起,到今天,很多已经成为国内相关科研院所的教授、副教授。张友军感叹,这一成果既是团队长期的积累所获,也是基因技术发展和时代发展给予的机遇。

  张友军介绍,这一发现揭示了昆虫如何利用水平转移基因来克服宿主的防御,为探索昆虫适应性进化规律开辟了新的视角,也为新一代靶标基因导向的烟粉虱田间精准绿色防控技术研发提供全新思路。

  论文共同通讯作者、瑞士纳沙泰尔大学化学生态学家和昆虫学家Ted Turlings说:“这项研究在国际上首次提供了植物基因水平转移至昆虫中的功能性证据,这种能够代谢植物防御性毒素的基因——BtPMaT1仅存在于烟粉虱中,其他昆虫中均不存在该基因。”

  《细胞》专业审稿人、德国马克斯·普朗克化学生态学研究所研究员Roy Kirsch博士也表示,这篇文章“非常有趣”,它将引起生态学家、进化生物学家、植物化学家和害虫防治者的极大兴趣,“该研究涵盖从植物代谢谱到昆虫的比较基因组以及两者之间的所有内容,从不同角度深入研究解决问题。”(光明网记者宋雅娟 视频制作:肖春芳)

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