Science | 如何增强植物抗性？研究揭示新的挥发性物质介导的植物防御机制！

在已建立的生态系统中，植物通常通过使用植食性动物的伤口引起的化学防御措施来抵御昆虫的攻击。这些昆虫中的一些也是农业环境中的害虫，它们攻击那些没有受益于经过长期进化的化学防御植物。由于广泛的非宿主抗性，绝大多数攻击者都无法对植物造成任何损害。这种抗性是永久性的、有效的。虽然人们对植物对抗病原体的非宿主抗性有很多了解，但由于缺乏田间考察，对植食性动物的非宿主抗性却知之甚少，尽管它在农业上很重要。

2022年2月4日，国际顶级学术期刊Science发表了的德国马克斯-普朗克化学生态研究所Ian Baldwin（Science | 德国马普化学生态所研究揭示植物如何在不伤害自身的情况下产生防御性毒素!）和中科院分子植物科学卓越创新中心李大鹏团队的最新相关研究成果，题为Natural history–guided omics reveals plant defensive chemistry against leafhopper pests的研究论文。该团队研究人员描述了一种新发现的机制，该机制保护一种野生烟草物种（Nicotiana attenuata）免受植物吸液叶蝉（Empoasca spp.）的危害。通过将不同的遗传筛选方法与烟草叶片的化学变化研究相结合，他们发现了一种以前未知的对烟草抵抗叶蝉很重要的防御物质，并确定了其生物合成的基因特征。该研究发现了本地植物如何利用化学重编程来抵御自然界中的机会主义叶蝉。

此前，该团队的研究人员已经在田间研究中发现，茉莉酸防御信号受损的烟草植株受到了叶蝉的攻击，这些昆虫通常无法攻击防御系统正常的烟草植物。这说明在自然界中，植物长期受到食草昆虫的"考验"，以了解它们是否可以作为食物；但是，在正常情况下，植物能够有效地自我防卫。与这些发现相同的是，该团队的另一项研究表明，在天然烟草种群中，叶蝉定殖的植物正是茉莉酸信号通路比其他烟草植株弱的植株。然而，当时仍然不知道茉莉酸引发的哪种特定防御机制是对叶蝉的抗性负责。

为了解决这个问题，科学家们杂交了26个基因不同的天然亲本系。研究人员根据长时间对这一群体进行了杂交，并将其种植在自然栖息地，在那里它可能会受到潜在的叶蝉攻击。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定植物成为叶蝉利用防御系统薄弱宿主的遗传基础。

研究人员还调查了植物在受到攻击后会引起哪些化学变化以及哪些基因被激活。他们发现了一种新的挥发性物质，用CPH（咖啡酰丁二胺）来表示，这是对叶蝉的永久抗性的原因。通过生物信息学的分析工作，并通过使用在某些防御和信号转导基因方面被特别修改的植物，能够显示出哪三个代谢途径参与了这种化学物质的产生。最后，研究人员甚至成功地在两种相关植物（豆类和番茄）中重建了防御物质CPH的生物合成途径，并证明了其对叶蝉的功效。

通过结合分子生物学和化学分析方法，研究人员不仅能够确定和描述一种以前未知的防御物质，而且还能确定负责其合成的基因。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在植物中是如何协调的，以及哪些其他因素和特定的调节因子对其生产至关重要，特别是在自然条件下。Empoasca属的叶蝉，特别是马铃薯叶蝉（Empoasca fabae），可以通过吸食幼苗的叶片和传播病毒性病害对作物造成重大损害。更高的温度导致了这些昆虫的威胁性扩散。这种控制害虫的基础研究可以在永久提高作物的抗性方面提供宝贵的见解，特别是在气候变化对农业提出新要求的情况下。

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