中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心李大鵬研究團(tuán)隊(duì)與德國馬克斯普朗克化學(xué)生態(tài)研究所合作，首次揭示了植物如何巧妙組裝其特異性代謝產(chǎn)物應(yīng)對農(nóng)業(yè)重大害蟲小葉蟬的非寄主抗性機(jī)制。北京時間2月4日，相關(guān)研究成果（Natural history–guided omics reveals plant defensive chemistry against leafhopper pests）以封面論文的形式，在線發(fā)表在《科學(xué)》（Science）上。該研究為探索植物昆蟲互作開辟了新的博物學(xué)驅(qū)動的多組學(xué)分析方法，并為植物如何特異性調(diào)度其化學(xué)“防御壁壘”抵抗昆蟲進(jìn)攻提供了全新的代謝視角，這是植物對多食性昆蟲的非寄主抗性研究的重要突破。同時，該研究應(yīng)用合成生物學(xué)的手段對農(nóng)作物首次進(jìn)行植物非寄主抗性代謝改造，為農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)綠色防控技術(shù)提供全新可行性應(yīng)用方案。   　　植物是天然的有機(jī)合成專家，由于其固著于土地之上，無法像動物一樣逃避傷害，因而植物進(jìn)化出能夠生成結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣的特異性代謝產(chǎn)物以適應(yīng)其復(fù)雜多變的生存環(huán)境。剖析植物特異性代謝產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)、生物合成途徑、生理生態(tài)學(xué)功能以及這些小分子化合物如何在自然界發(fā)揮作用，是破譯植物“化學(xué)語言”；闡釋植物如何在逆境中安排和調(diào)度其復(fù)雜的“代謝武器”以在自然界中生存的關(guān)鍵，是理解生命體化學(xué)本質(zhì)的核心。然而，由于植物代謝組的復(fù)雜性與多樣性，多數(shù)植物代謝物的結(jié)構(gòu)和功能仍然未知。   　　小葉蟬（Empoasca leafhopper）是一種嚴(yán)重危害農(nóng)作物的世界性害蟲，其寄主范圍廣泛，繁殖率高，更嚴(yán)重的是小葉蟬能夠傳播多種植物病毒，每年造成嚴(yán)重作物減產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)損失。目前的防治方法是大量噴灑農(nóng)藥，但防治效果有限且代價高昂。當(dāng)前，植物的非寄主抗性集中在植物病原菌互作研究，由于昆蟲的高度取食自主權(quán)，植物對昆蟲的非寄主抗性機(jī)制尚不清楚。茉莉素是植物抗蟲的關(guān)鍵激素，先前研究發(fā)現(xiàn)小葉蟬會“竊聽”植物茉莉素激素的合成和響應(yīng)能力，從而特異性地選擇茉莉素含量低的植物作為自己的寄主，但受茉莉素調(diào)控的下游直接發(fā)揮抗性功能的代謝物并不清楚。   　　本研究中，科研團(tuán)隊(duì)在野外大田種植了由26個父母本雜交生成的共1816株重組自交系群體，這些自交系群體的基因背景各不相同，以供小葉蟬的“竊聽”和宿主選擇。當(dāng)小葉蟬自由攻擊這些植物時，它們的攻擊率便可以用來幫助確定非寄主植物轉(zhuǎn)變?yōu)榧闹髦参锏倪z傳元素。該研究運(yùn)用博物學(xué)驅(qū)動的正向遺傳學(xué)與反向遺傳學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)及非靶向結(jié)構(gòu)代謝組學(xué)相結(jié)合的全新分析方式，鑒定到一種新的植物特異性代謝產(chǎn)物，其是植物對小葉蟬產(chǎn)生非寄主抗性的關(guān)鍵化合物，命名為CPH。研究顯示，該化合物是由非常規(guī)的茉莉素元件JAZi特異性調(diào)控的，植物只有在被小葉蟬而非其他昆蟲攻擊時，JAZi才會在被攻擊的葉片特異性表達(dá)，激活其調(diào)控的CPH合成。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該化合物由一個乙酰轉(zhuǎn)移酶AT1、兩個多酚氧化酶PPO1和PPO2及一個小檗堿橋酶BBL2共同協(xié)調(diào)合作催化合成。該化合物凝結(jié)了3大代謝通路，其中一個關(guān)鍵合成通路是由植物綠葉揮發(fā)通路組成的，是植物揮發(fā)性間接防御的核心通路，另外兩個通路則參與植物的直接防御物質(zhì)合成。該研究首次剖析了植物的直接和間接防御通路是如何巧妙地“對話和調(diào)度”合成其代謝武器的。研究團(tuán)隊(duì)利用合成生物學(xué)的手段將該代謝通路整合到番茄與蠶豆等作物中，設(shè)計出小葉蟬非寄主選擇的高抗作物。   　　20世紀(jì)60年代的農(nóng)業(yè)綠色革命增加了農(nóng)作物產(chǎn)量。當(dāng)今，人口持續(xù)增長，全球氣候變暖引起的持續(xù)增長的干旱、真菌入侵及病蟲害，對未來農(nóng)業(yè)發(fā)展提出挑戰(zhàn)。植物是復(fù)雜精妙的化學(xué)設(shè)計師，該研究運(yùn)用的博物學(xué)驅(qū)動的多組學(xué)分析及與合成生物學(xué)相結(jié)合的研究方法，將為挖掘植物數(shù)百萬年進(jìn)化的化學(xué)創(chuàng)新手段，為設(shè)計第二代綠色革命高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)抗逆作物提供全新的代謝維度。在全球氣候變暖和全球草食動物日趨變化的世界中，投機(jī)型的植物昆蟲交互將成為未來自然和人造生態(tài)系統(tǒng)的主導(dǎo)交互模式，關(guān)于植物如何應(yīng)對這種非寄主投機(jī)性交互的認(rèn)知，將幫助我們設(shè)計可應(yīng)對氣候變化的未來綠色抗逆作物。
　　小葉蟬的攻擊誘導(dǎo)了關(guān)鍵抗性化合物的合成與調(diào)控路徑