mg游戏

求是印象

科学封面(第27期) | 超级害虫,用口水“改造”植物?

编辑:叶鑫 来源:mg游戏 时间:2018年12月29日 访问次数:409  源地址

“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mg游戏首届生命科学大会上,mg游戏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。

 

mg游戏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

 

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mg游戏后,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)


总访问量:10743231