学术发布

超级害虫,用口水“改造”植物?

发布时间:2018-12-26作者:周炜浏览次数:737


”地球上最成功的物种是什么?我觉得是它——


图:身长一毫米的烟粉虱(摄:钱力鑫)


12月召开的浙江大学首届生命科学大会上,浙江大学农学院的刘树生教授展示了一张虫子的照片,几百双人类的眼睛齐刷刷的看向它——烟粉虱,田间唯一具有“超级害虫”称号的物种。

 

浙大昆虫科学研究所王晓伟课题组经过6年研究发现,烟粉虱具有“口蜜腹剑”的生存技能,它的唾液中存在一种特殊的蛋白,它不仅能降低植物的抵抗力,还能让害虫们更加生机勃勃。或许,烟粉虱正是倚仗这一秘密武器成为了“超级害虫”。

 

论文A salivary effector enables whitefly to feed on host plants by eliciting salicylic acid- signaling pathway1225日在线发表在PNAS(《美国科学院院刊》)上。

 

 

面对害虫,植物怎么说“不”?

 

自然界中,植物会受到多种昆虫和病原菌的持续危害。“昆虫吃菜并不是一个单向的过程,植物也会反抗。”王晓伟说,植物在识别侵害后,能够通过激素启动相应的防御,就像在说:“走开!不要吃我!”例如,多数植物遭到昆虫蚕食时会分泌一种茉莉酸的激素,它能启动植物体内的抗虫反应,比如分泌杀虫物质,让虫子知难而退,兴许能逃过一劫。

 

然而,面对一种叫烟粉虱的害虫时,植物们的“不”字却说不出口。诞生于地中海沿岸的小虫子烟粉虱,1毫米长的小小身板,能量却异常强大,如今几乎和人类一样遍布全球,600多种植物都稳稳列在它们的“菜谱”上。著名科学杂志《自然》、《科学》,都将“超级害虫”的称号赐予烟粉虱。

 

王晓伟教授发现了一个奇怪的现象:被烟粉虱吃过的烟草,抗虫力反而下降了。植物体内的水杨酸通路被激活,抑制了茉莉酸的抗虫反应。“它们对植物做了什么?”王晓伟想,答案可能藏在虫子的唾液里。在这之前,还没人弄清植物与烟粉虱之间到底发生了什么。

 

像人类一样,昆虫也一边吃东西一边分泌唾液。作为刺吸式口器昆虫的代表,烟粉虱在进食时,先找到茎或者叶片背面相对柔软的部位,然后将口针刺入植物负责运输营养物质的韧皮部中吸取汁液,这时,它们“吐”的口水也进入了植物的体内。“就像蚊子叮人,它一边吸血一边吐口水,让血液凝固得慢一点,烟粉虱可能也有类似的技能,调节寄主植物的反应。”王晓伟猜测,烟粉虱可能将“神助攻”藏在了唾液里。

 

 

非洲的木薯与糖里的口水

 

2012年,位于美国西雅图的盖茨基金会总部举行过一次科学家集会,16位世界各地研究植物保护的顶尖学者聚在一起,讨论非洲的木薯危机。木薯是非洲人民的主粮,支撑着全球5亿人的口粮。但是,“超级害虫”烟粉虱入侵非洲后,噩梦随之而来,这种害虫不仅吃木薯,还传播致命的双生病毒,大量木薯一病不起,甚至大面积绝收。盖茨基金会决定投入2000万美元,设立专项支持全世界的聪明脑袋来化解木薯危机。

 

 

图:盖茨基金会支持的非洲木薯粉虱研究项目网站

 

刘树生教授也受邀参加了这次“聪明脑袋”对抗“超级害虫”的头脑风暴。他在会上表达了一个观点:应对木薯危机,防虫和抗病缺一不可,因为烟粉虱和双生病毒狼狈为奸才造成木薯的灭顶之灾。“而对于虫子,人类还知之甚少。”刘树生说。

 

回到浙江大学后,刘树生和王晓伟共同指导一位博士生研究烟粉虱的唾液。“很多科学家试图在蚜虫、飞虱、烟粉虱的唾液中寻找线索,但是进展很慢。”刘树生说,这位博士生寻找了3年,没有找到蛛丝马迹。“烟粉虱整体才1毫米大,它的唾液腺更小,怎么解析其中的蛋白呢?”刘树生说,当时,自己学生物专业的儿子也不看好老爸的研究。“后来,我们改进了试验方法,终于有了新发现。” 博士研究生徐红星接棒,继续着对于烟粉虱唾液的研究。

 

课题组收集了几万头烟粉虱的唾液,再从唾液中分离鉴定相关蛋白。你可能会问,几万头的烟粉虱,那得有多少口水呢?科学家说,他们让烟粉虱们分批取食在实验皿里备好的人工“饲料”,“是一种烟粉虱喜欢吃的糖,它们一边吃一边把口水吐在里面,我们就直接分析里面增加的蛋白。”王晓伟说。

 

徐红星说,他们锁定了一种Bt56的蛋白,这正是课题组苦苦寻找的“神助攻”。当Bt56通过唾液传入烟草韧皮部,它与烟草中的一个转录因子(NTH202)结合,诱导水杨酸分泌。而水杨酸的升高抑制了抗虫“利器”茉莉酸的分泌,这样,植物就对虫子失去了招架能力。

 

课题组让烟粉虱分批次取食烟草,结果发现:在先头部队取食后,第二、第三批的“食客”们繁殖得更快,群体数量越来越大。“这个现象表明,被唾液‘改造’之后的植物,能让害虫活得更好。”王晓伟说,课题组还做了一个反向实验,抑制烟粉虱Bt56蛋白的分泌。失去了“神助攻”,烟粉虱的存活和繁殖显著下降,活得没那么舒坦了。

 

课题组还对入侵型和本地烟粉虱进行对比,“我们发现,入侵型烟粉虱分泌Bt56的能力要比本地烟粉虱旺盛许多倍。”王晓伟说,入侵型烟粉虱的“弹药库”比本地烟粉虱充沛许多,这就不难解释两者相差悬殊的战斗力了。

 

 

2018年树的新目标

 

盖茨基金会资助的非洲木薯项目自2014年启动以来,全世界13个实验室的科学家每年碰一次头,讨论研究进展和应对措施。刘树生教授12月初刚参加了在坦桑尼亚召开的2018年会,会上,他向同仁们介绍了这项最新发现:找到一个蛋白,它帮助烟粉虱“改造”了植物,让害虫越活越好。刘树生认为,这是为培育抗虫作物指明了一条道路。

 


图:王晓伟教授参加非洲木薯烟粉虱项目时在田间采集烟粉虱(图片来源:www.cassavawhitefly.org

 

抗病或者抗虫,这是科学家们的育种目标。“鉴于植物病毒变化快,抗性产生快,培育具有抗病能力的作物挑战很大,而培育具有抗虫能力的品种也是一种重要的、有效的路径。”对此,科学家有了初步设想。他们发现,Bt56蛋白是烟粉虱抑制植物防御的一个关键武器。“如果人类能培育出可抵御Bt56攻击的的抗性品种,或者通过基因沉默抑制烟粉虱产生这个关键武器,在植物和昆虫的军备竞赛中取得领先优势,这样的植物就能成功拒绝害虫的‘改造’,免于灭顶之灾。”王晓伟说。


图:课题组在非洲参加烟粉虱研究会议合影


论文链接:https://www.pnas.org/content/early/2018/12/19/1714990116


(科学撰稿人:周炜)