昆虫与植物间跨界交流的秘密被破解

◎本报记者 赵汉斌

自然界中，绝大部分植物通过光合作用自养生活，而有一类植物则需要全部或部分依赖于其它植物获得营养和水分，这类植物被称作寄生植物，菟丝子是其中典型的代表之一。

目前，对菟丝子和寄主之间的物质和信号转运研究已经有了一些进展。但是，在菟丝子与寄主组成的这个生态系统中，当昆虫取食菟丝子时，昆虫与菟丝子以及寄主植物三者之间又发生了什么样的联系？

我国科学家近日在英文期刊《植物多样性》上发表的一篇题为“桃蚜、菟丝子寄生虫和黄瓜寄主植物间的种间跨界交流转移”的研究成果，刷新了人们的认知。

转运mRNA或作为长距离运输信号发挥生物学功能

mRNA即“信使核糖核酸”，是一大类核糖核酸分子，它将遗传信息从脱氧核糖核酸传递到核糖体，在那里作为蛋白质合成模板，并决定基因表达蛋白产物肽链的氨基酸序列。

目前，约有4500种寄生植物被发现，大约占有花植物的1%。寄生植物通过一种特殊的器官——吸器与寄主建立维管束的连接，以获取无机盐、水分和营养物质等。此外，寄主中的次生代谢产物、mRNA、蛋白质甚至病毒和类病毒等物质也可转运到寄生植物中。

菟丝子是旋花科菟丝子属的一年生或多年生专性茎寄生植物，萌发后必须寄生在寄主身上才能生活。菟丝子通过吸器与寄主的维管组织连接形成物质交流的通道。已有转录组学研究表明，菟丝子和寄主在没有任何生物或者非生物胁迫的状态下已经存在着上千个mRNA的交流，而且转运的mRNA可能作为一种长距离运输的信号发挥生物学功能。

桃蚜是一种广食性的蚜虫，据相关文献显示，其寄主植物可多达74科285种，其生活周期短、繁殖量大，除刺吸植物体内汁液，还可分泌蜜露，引起煤污病，影响植物正常生长；更重要的是，它能传播多种植物病毒，如黄瓜花叶病毒、马铃薯Y病毒和烟草蚀纹病毒等，是果蔬栽培的主要害虫。

“桃蚜对农业生产有重大威胁，同时也是为数不多的可以取食菟丝子的刺吸式昆虫之一，而且相对于菟丝子的寄主来说，桃蚜更喜欢取食菟丝子。”中国科学院昆明植物研究所吴建强研究员介绍说，此前的研究表明，桃蚜在取食过程中，通过口器不但取食寄主植物韧皮部汁液，并且也向植物体内转运多种蛋白、mRNA及病毒等大分子。

目前，在菟丝子和寄主两者之间的物质和信号转运研究较多，尤其是mRNA的转运研究较为丰富。而在桃蚜、菟丝子及寄主构成的三营养级互作体系里，桃蚜—菟丝子—寄主三者之间mRNA信息交流的研究还没有报道。

mRNA在昆虫—寄生植物—寄主植物间跨界交流

吴建强带领的研究团队在建立菟丝子和寄主黄瓜寄生体系的基础上，利用桃蚜取食菟丝子，从而对菟丝子进行生物胁迫，重点探究了桃蚜、菟丝子以及黄瓜叶和根之间mRNA的转运。

“研究表明，桃蚜的取食，大大增强了菟丝子和黄瓜之间mRNA的双向转运，同时也有大量mRNA在菟丝子和桃蚜中进行双向转运。”吴建强说，有趣的是，有少量的mRNA通过菟丝子从黄瓜转运到桃蚜和从桃蚜转运到黄瓜的叶片及根，表明菟丝子可能在一定程度上介导了其寄主与蚜虫的互作。这是首次发现在昆虫—寄生植物—寄主植物三者之间跨界的双向mRNA信息交流。

他们还对转运的mRNA进行了特征分析。结果表明，长度较长和表达量较高的mRNA，更倾向于被转运。转运的mRNA在受体物种的总mRNA中的占比较低，平均在0.04%—1.3%。

菟丝子受到桃蚜取食胁迫之后，其与黄瓜叶中激素变化趋势一致，表现为茉莉酸含量升高、水杨酸降低；而黄瓜根中茉莉酸含量降低、水杨酸含量升高，这意味着抗虫性信号从菟丝子传递到黄瓜叶和根中，导致菟丝子、黄瓜叶和根对桃蚜取食产生了抗虫响应。

此外，桃蚜取食胁迫在菟丝子中诱导的差异表达基因较少，而黄瓜叶和根中差异表达基因相对较多，说明在转录水平上寄主对菟丝子信号响应要比菟丝子对桃蚜的信号响应更强烈。

“基于以上研究结论，我们提出昆虫—寄生植物—寄主植物三者之间跨界双向mRNA交流的观点，这对深入了解昆虫—寄生植物—寄主植物之间的多重互作关系有着重要意义。”吴建强表示，这个研究说明了三者间复杂且动态变化的相互作用关系，将更进一步揭示植物与昆虫间互作的秘密，为生物防治提供新的方法和理论基础。