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来自研究机构

科学家破译了针对植物吸液叶蝉的化学防御

日期:
2022年2月3日
来源:
马克斯·普朗克化学生态学研究所
简介:
考虑到潜在敌人的数量之多,植物对大多数害虫都有抵抗力,即使它们会对其他植物造成伤害。研究人员描述了一种新发现的保护野生烟草物种免受植物吸液叶蝉侵害的机制。通过将不同的基因筛选方法与烟草叶片化学变化的研究相结合,他们发现了一种以前未知的防御物质,这种物质对烟草抵抗叶跳虫很重要,并对其生物合成的基因进行了表征。
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植物处于食物链的最底层,不断受到病原体和食草昆虫的威胁。但绝大多数攻击者无法造成任何损害,由于广泛的植物抗性,也被称为非宿主抗性。这种抵抗是持久而有效的。然而,导致这种抗性的机制,特别是对草食性害虫的抗性,在很大程度上是未知的。在一项新的研究中,马克斯普朗克化学生态学研究所的研究人员能够识别出一种化学物质,这种化学物质对细菌的抗性负责烟草attenuata则植物到吸叶蝉(Empoasca spp)和生产它所需的基因。“我们的研究揭示了原生植物是如何利用化学重编程来保护自己免受自然界中机会主义叶蝉的侵害的,”第一作者白岳辰在总结研究结果时说。

2004年,该研究所的科学家已经在实地研究中发现,烟草植物基于植物激素茉莉酸的防御信号级联反应受损,受到叶蝉的攻击,叶蝉通常无法损害具有功能性防御的烟草植物。这项工作证明,在自然界中,植物被食草昆虫永久地“测试”,以确定它们是否可以作为食物来源;然而,在大多数情况下,植物能够有效地保护自己。与这些发现一致的是,该研究所的另一项研究表明,叶蝉在天然烟草种群中定居的植物正是茉莉酸信号通路比其他烟草植物弱的植物。“然而,当时还不清楚茉莉酸触发的哪种特定防御机制导致了对叶蝉的抗性,”该研究的负责人之一李大鹏解释说。

为了回答这个问题,科学家们杂交了26个基因不同的自然亲本系。这个种群,研究小组根据一个固定的计划在总共九年的时间里杂交,被种植在美国亚利桑那州的自然栖息地,在那里它可能会受到机会主义的叶蝉的攻击。当叶蝉攻击这些植物时,损害的严重程度有助于确定使这种特殊植物成为叶蝉利用脆弱防御的寄主植物的遗传基础。

研究人员还调查了植物受到攻击后会引起哪些化学变化,哪些基因会被激活。他们发现了一种新的不稳定物质,他们将其简称为CPH(咖啡因腐胺-绿叶挥发性化合物),这种物质对叶蝉具有永久的抵抗力。通过生物信息学的探测工作,并利用在某些防御和信号转导基因上进行了特异性修饰的植物,他们能够显示出这种化学物质的产生涉及三种代谢途径。最后,研究人员甚至成功地在两种相关植物中重建了防御物质CPH的生物合成途径蚕豆根尖番茄品种茄属植物chilense,并证明其对叶蝉的功效。

“通过结合复杂的分子生物学和化学分析方法,我们不仅能够识别和表征一种以前未知爱博网投领导者的防御物质,而且还能够识别负责其合成的基因,”伊恩·鲍德温解释说,并继续说:“我们的方法可以被描述为“自然历史指导的向前遗传学”。自然历史和对叶蝉摄食行为的观察推动了我们的发现过程。因为在化学方面,大自然仍然是发明之母。”

在进一步的研究中,研究人员希望找出这种化学防御的合成是如何在植物中协调的,以及哪些其他因素和特定的调节因子对其产生至关重要,特别是在自然条件下。叶蝉属Empoasca尤其是马铃薯叶蝉Empoasca fabae它可以通过吮吸幼嫩植物的叶子和传播病毒疾病,对作物造成重大损害。更高的温度导致这些昆虫的威胁蔓延。这项控制这种害虫的基础研究可以为永久提高作物抗性提供有价值的见解,特别是在气候变化对农业提出新要求的背景下。

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故事来源:

材料所提供的马克斯·普朗克化学生态学研究所注:内容可能会根据风格和长度进行编辑。


期刊引用

  1. 白月辰,杨彩琼,Rayko Halitschke, Christian Paetz, Danny Kessler, Konrad Burkard, Emmanuel Gaquerel, Ian T. Baldwin,李大鹏。自然史引导组学揭示植物防御叶蝉害虫的化学反应科学, 2022;375 (6580) doi:10.1126 / science.abm2948

引用此页

马克斯·普朗克化学生态学研究所。“科学家破译了植物吸液叶蝉的化学防御。”《科学日报》。《科学日报》,2022年2月3日。< www.koonmotors.com/releases/2022/02/220203160617.htm >。
马克斯·普朗克化学生态学研究所。(2022年2月3日).科学家破译了针对植物吸液叶蝉的化学防御。《科学日报》.2023年6月18日检索自www.koonmotors.com/releases/2022/02/220203160617.htm
马克斯·普朗克化学生态学研究所。“科学家破译了植物吸液叶蝉的化学防御。”《科学日报》。www.koonmotors.com/releases/2022/02/220203160617.htm(2023年6月18日访问)。

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