【PNAS】未來十年新領域!何勝洋院士等綜述植物韌皮部-昆蟲-病原菌相互作用研究的挑戰與問題!

2021-01-18 iPlants

2019年11月11日，PNAS雜誌在線發表了來自中科院西雙版納熱帶植物園姜豔娟組和美國科學院院士何勝洋組聯合通訊發表題為「Challenging battles of plants with phloem-feeding insects and prokaryotic pathogens」的論文。該論文討論並綜述了關於植物韌皮部-昆蟲-病原菌之間相互作用研究進展和挑戰。我們公眾號iPlants認為，韌皮部與昆蟲/病原體相互作用的研究代表了植物科學的前沿領域，我們報導該文旨在鼓勵更多的研究者和資金加入到這個重要的研究領域，發展有效的、創新的和環境友好的農業害蟲和病原菌的控制方式，而這一重要領域是又是保證全球糧食安全不可或缺的。



植物韌皮部是植物長距離運輸營養及信號物質的重要通道，同時該組織營養豐富，可以為各種病原體和昆蟲提供生存條件。實際上，某些最具破壞性的昆蟲和病原體已經進化能獲取韌皮部的重要營養物質和/或生活環境以韌皮部為食或生活在韌皮部上（如下表），並在主要農作物中造成重大的經濟損失，如柑橘黃龍病，水稻褐飛蝨等。但是由於韌皮部在植物體內的特殊位置，加之多數韌皮部生存的病原菌不能在體外純培養，使得我們對植物韌皮部-昆蟲-病原菌之間相互作用的研究遠遠落後於其它類型的昆蟲和植物病原菌的研究。 該文重點介紹了最近報導的植物韌皮部-昆蟲-病原菌之間相互作用方面取得的重大進展，並以嶄新的思路提出了該研究領域內亟待解決的科學問題。植物韌皮部是高度進化的維管束組織，由篩管，伴隨細胞和薄壁組織組成（見下圖）。多數食韌皮部昆蟲屬於半翅目昆蟲，包括蚜蟲，飛蝨，葉蟬，樹蟬，粉蝨，蟬，鼻蟲，鱗蟲和盾蟲等一些農作物害蟲。所有草食性半足類昆蟲都進化了專門的探針，用於刺穿植物組織以進入富含營養的韌皮部（見下圖C）。與昆蟲不同，原核病原菌不能主動進入韌皮部。因此，已知所有的韌皮部相關病原菌都被食韌皮部昆蟲被動遞送到韌皮部中。因此，許多韌皮部相關的病原菌是專一的，並依靠該組織來獲得必需的營養和信號。


（1）需要新的策略來培養居住在韌皮部的原核病原體。建立成功的體外純培養物仍然是使疾病病因學，疾病機理和有效篩選抗菌化合物的研究取得突破性進展的優先事項。未來的研究需要考慮創新的培養方法，包括合成原核基因組學和韌皮部細胞培養系統，以消除韌皮部與病原體相互作用研究中最嚴峻的障礙之一。


（2）健康和患病韌皮組織有多少個韌皮部微生物相關？對韌皮部疾病中韌皮部相關微生物群的大規模調查可能是一個重要的未來研究領域。隨著不依賴培養物的細菌譜分析方法的出現，確定在整個植物類群中佔據健康韌皮部的潛在核心微生物群將是可行的。相反，未來的研究應著眼於患病的韌皮部僅與假定的病原體有關，還是與病原體以及特定的「疾病相關」微生物群有關。通過針對疾病相關的微生物群，這一研究領域可能會導致對韌皮部棲息的病原體的病因學和潛在生物防治的新見解。


（3）植物防禦韌皮部害蟲和病原體與「葉肉細胞-病原體相互作用」模型是否適用？例如，一種蚜蟲內共生細菌Buchnera aphidicola也通過其伴侶蛋白GroEL觸發番茄和擬南芥中的PTI反應。值得注意的是，尚未發現任何韌皮部棲息病原體的ETI。這是由於研究不足還是韌皮部-病原體相互作用的固有原因，尚待研究。此外，為了抵禦韌皮部攝食性昆蟲的植物防禦，似乎需要PTI和ETI才能具有抗藥性。



（1） 基於葉肉細胞的植物免疫力的哪些方面適用於韌皮部抑制病原體和昆蟲？未來的研究應研究如何通過韌皮部篩細胞識別細胞內的韌皮部感染病原體和以韌皮部為食的昆蟲，從而激活PTI。（2）韌皮部中的哪種細胞類型識別並響應病原體/昆蟲感染。食韌皮部昆蟲和感染韌皮部的病原體似乎以篩網細胞為食或生活。但是，篩管分子缺乏關鍵細胞器的細胞能否引發有效的免疫反應？伴生細胞和/或實質細胞在韌皮部-昆蟲/病原體相互作用中起什麼作用？需要開發大量特徵明確的韌皮部細胞類型特異性生物傳感器系，這將使研究人員能夠追蹤免疫基因表達，活性氧物種，亞細胞pH和/或Ca2 +變化以及胞膜和篩板的體內時空動力學。（3） 是否有獨特的韌皮部防禦反應？由於研究韌皮部獨特過程的困難，韌皮部細胞是否已經進化出獨特的防禦反應尚不確定。

（4）是否可以開發新技術來推進韌皮部防禦反應的研究？很明顯，韌皮部/昆蟲/病原體相互作用的未來研究將越來越依賴於細胞類型特有的技術，以便對各種韌皮部細胞類型如何對韌皮部相關的病原體和昆蟲做出反應，達到下一個層次的理解。如前所述，除了開發可以在原位監測免疫反應的韌皮部細胞類型特異性生物傳感器系外，還需要開發其他技術來推進韌皮部防禦反應的研究。


綜上所述，在未來十年中，值得關注的一個有趣的研究領域是食用韌皮部的昆蟲和病原體如何克服植物防禦能力並破壞其他韌皮部的細胞功能。這樣的研究不僅可以進一步揭示昆蟲侵染和病原體感染的機制，而且還可以帶來對基本韌皮部生物學某些結構和功能方面的新見解！



https://www.pnas.org/content/pnas/early/2019/11/08/1915396116.full.pdf


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