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害虫生存策略:让水稻更美味、更营养

发布时间:2018-05-10作者:浏览次数:0


        五羟色胺是一种让人的大脑产生愉悦感的化合物,浙江大学农学院舒庆尧及其合作者最新的研究发现:害虫也喜欢五羟色胺。害虫啃食水稻时,植株体内的五羟色胺含量会增加,对害虫来说,这使水稻的“口感”和“营养”都提升了。这是科学界第一次揭示五羟色胺与水稻抗虫性之间的关系,将对下一步培养更优抗性的水稻和发展防虫治虫策略提供新的思路。


        相关论文Resistance of Rice to Insect Pests Mediated by Suppression of Serotonin Biosynthesis (基于五羟色胺生物合成抑制的水稻抗虫性)2018年5月7日发表在Nature Plants上。



        进入5月,田间的水稻们将迎来新一轮考验:褐飞虱们已陆续出发,从南方陆续向北迁徙到稻田中吸取叶鞘的汁液;螟虫则常年盘踞睡到田间,经过一个冬天的冬眠,很快就要钻进稻株的茎杆取食最幼嫩的稻叶(蛀心虫—二化螟)。这是稻田中两种破坏性最大的害虫。


        “在遭到害虫侵害时,植物机体会分泌出不同的化学物质。”通讯所者之一,昆虫所的娄永根教授长期关注植物化合物与昆虫的互动机制。他说,植物虽然看起来不会说话不会动,但它们也有自己的语言和“武器”,这主要就是靠化合物来完成的


        研究发现,害虫在侵食水稻时,水稻体内的五羟色胺含量升高了。它主要由一个叫CYP71A1的基因负责合成。“当害虫侵食水稻时,这个合成五羟色胺的‘开关’就被打开了。”舒庆尧说。



        为了探究五羟色胺对害虫的影响,博士生罗婷要承担一项“数虫子”的工作。先数出15只褐飞虱,放到装有两株水稻的容器中:一株水稻是自然野生型水稻,另一株是敲除了CYP71A1基因的水稻。罗婷每隔一小时观察水稻上褐飞虱的数量。“我们发现了一个很有趣的现象:刚开始分布均匀的褐飞虱,一段时间后会表现出明显的分离。”罗婷说:“大部分的褐飞虱选择去自然野生型水稻。”差距的峰值是:12:3。


        显然,被敲除了CYP71A1基因的水稻,被害虫“嫌弃”了。因为它无法调高五羟色胺的分泌。接下来的困惑是:害虫为什么喜欢五羟色胺?


图:左边是自然自然野生型水稻;右边是敲除了CYP71A1基因的水稻


        研究发现,摄入更多的五羟色胺之后,虫子的生长发育加快了,身躯也更加“壮硕”了,这在螟虫的身上表现特别明显。“虫子很聪明,它不但懂得‘吃’,还能把食物变得更加‘营养美味’。”舒庆尧说,这是害虫的智慧。


        原来,五羟色胺,不是水稻表达的“愤怒”或“防御”,而更接于水稻体内的“背叛”者,提升了害虫的战斗力。但从人类的需求看,培养出虫子不爱的水稻才是关键,才意味着提高水稻的抗性,维护粮食产量和品质。



        对此,课题组做了进一步探究后发现:在植物体内,五羟色胺和水杨酸的合成有一个共同的源头物质——分支酸。“两者的合成过程存在相互负调控,”娄永根说,“就像源自同一个水管的两个水龙头,水量一致的情况下,一个水龙头的出水量大,另一个的出水量就小了。”另一方面,本文第一作者芦海平博士还发现,这两个化合物本身又可以主动抑制对方的合成基因的活性,如水杨酸可以抑制CYP71A1基因的开启,从减少五羟色胺的含量。


        水杨酸是一种已知的能够提高水稻抗病性的化合物。“过去的研究认为水杨酸具有独立的抗病作用,但我们在研究中发现了它与五羟色胺之间的调控关系,”娄永根说,当害虫开启制造五羟色胺的流水线时,原本可以帮助抗病的水杨酸的“产量”减少了。“这是害虫侵犯水稻的另一项‘心机’。”


        舒庆尧介绍,很多植物中都存在五羟色胺和水杨酸合成代谢通路,这项研究将对水稻及其它作物的抗虫育种带来启发意义。“例如,我们可以通过控制小麦五羟色胺的合成增加其对蚜虫的抗性。”舒庆尧说。


图:左起分别为:芦海平、娄永根、罗婷、舒庆尧。


        本项研究由浙江大学农学院/水稻生物学国家重点实验室舒庆尧教授(作物所)、娄永根教授(昆虫所)、叶恭银教授(昆虫所)合作,并联合嘉兴市农科院、无锡哈勃生物种业技术研究院有限公司、英国纽卡斯尔大学(New Castle University, UK)共同完成。


        本项目得到国家重点研发计划、浙江省重大农业(粮食)品种选育专项、国家公益性行业(农业)专项、浙江大学大北农教育基金、浙江大学水稻及主要经济作物育种科技联盟等项目的资助。浙江大学博士后芦海平、博士生罗婷和嘉兴市农科院富昊伟研究员为共同第一作者,浙江大学舒庆尧教授、娄永根教授和英国纽卡斯尔Gatehouse AMR教授为共同通信作者。


        论文链接:https://www.nature.com/articles/s41477-018-0152-7


        (科学撰稿人:周炜)