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植物生理生态研究所科研人员发现植物抗虫调控新机制

植物固着生长,演化出多种防御策略来抵御病虫害,适应干旱、高温等环境变化。许多昆虫以植物为食,虫害给农作物生产带来巨大损失。然而过于活跃的防御反应大量消耗能量,影响植物正常的生长及繁衍。因此,生长和防御是一个相互制约, 此消彼长的动态过程。植物从发芽、生长到开花结实,可能遭遇不同种群不同密度的昆虫侵袭。已知免疫衰老在动物界普遍存在,即动物在一生中免疫反应经历了由旺盛到衰退的过程。一个重要的问题是,植物的抗虫能力是否受到生长发育的影响,是否存在类似的免疫衰老现象?

2017年1月9日,《自然-通讯》(《Nature Communications》)杂志发表了中国科学院上海植物生理生态研究所陈晓亚、毛颖波研究团队题为“Jasmonate response decay and defense metabolite accumulation contributes to age-regulated dynamics of plant insect resistance”(茉莉素响应衰减和植保素积累调控植物抗虫性的动态变化)的研究论文,报道了植物抗虫防御反应时序性变化及调控机制。

茉莉素是植物抵御昆虫取食的重要激素。作者发现,在模式植物拟南芥成长过程中,茉莉素信号由强变弱,但抗虫性却由弱变强。这种相反相成的抗性变化是如何调控的呢?毛颖波与王佳伟研究员合作,发现微小核酸miR156影响植物中的茉莉素信号输出和抗虫反应。已知miR156靶向的SPL是控制植物从幼年期向成年期过渡的关键因子。随着植物的生长miR156水平降低,SPL含量逐渐升高,促进进入生殖生长期,开花结果。本研究发现,SPL能够与JA途径信号的多个JAZ蛋白结合,阻碍JAZ的泛素化降解,导致JA信号与抗虫反应衰减。同时,具有抗虫作用的次生代谢化合物(如芥子糖苷)却随着植物的生长而积累,不断充实植物的组成性抗虫能力。

本研究揭示了植物抗虫防御能力动态变化的一个重要规律。植物在幼年期次生代谢成分含量很低,抗虫反应依赖于快速灵敏的茉莉素信号途径。随着植物的生长,一方面年龄因子miR156-SPL逐渐削弱茉莉素信号,另一方面防御化合物不断积累,渐渐成为植物抗虫的主要手段。这一发现不仅揭示了植物精妙的抗虫机制,对设计更加科学合理的农田及森林虫害防治策略也具有重要的指导意义。

该研究得到中科院先导专项、国家基金委、转基因重大专项等项目的资助。

文章链接: http://www.nature.com/articles/ncomms13925

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