俗語說:“凡是有植物的地方就有線蟲”,表明它們寄主廣泛,種類繁多。植物寄生線蟲是一類專性活體營養(yǎng)型寄生蟲,對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)危害嚴(yán)重。
8月27日,中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所植保研究室研究員謝丙炎的病害團隊與法國農(nóng)科院索菲亞農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究所教授Pierre Abad領(lǐng)導(dǎo)的線蟲團隊在國際期刊《新植物學(xué)家》( New Phytologist )合作發(fā)表了最新研究論文。該論文報道了南方根結(jié)線蟲( Meloidogyne incognita )分泌的凝集素類效應(yīng)蛋白MiCTL1a通過與宿主過氧化氫酶發(fā)生相互作用,調(diào)控細(xì)胞內(nèi)活性氧穩(wěn)態(tài),從而幫助線蟲寄生的分子機制。
線蟲與植物互作的分子基礎(chǔ)是關(guān)鍵
論文共同通訊作者謝丙炎介紹,根結(jié)線蟲種類超過90種,能夠侵染超過5500種植物,每年造成的經(jīng)濟損失超過70億美元。其中南方根結(jié)線蟲是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上危害最嚴(yán)重的一類根結(jié)線蟲。
“根結(jié)線蟲的防治主要包括物理防治、生物防治和化學(xué)防治,但在田間應(yīng)用存在見效慢、經(jīng)濟效益低、防治效果差和污染環(huán)境等弊端。因此,解析根結(jié)線蟲與宿主互作的分子機制,闡明根結(jié)線蟲的致病機理,能夠為尋找防治根結(jié)線蟲的新靶標(biāo)并制定新策略提供重要理論依據(jù)?!敝x丙炎說。
目前,種植抗線蟲的作物品種是解決問題的關(guān)鍵,但是抗性基因缺乏、商業(yè)化應(yīng)用的抗病基因不耐高溫、抗病機理不透徹及毒性群體的出現(xiàn)制約著分子育種技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。
近年研究表明,根結(jié)線蟲食道腺表達(dá)的效應(yīng)蛋白在線蟲與宿主互作過程中發(fā)揮著重要作用。解析效應(yīng)蛋白在線蟲寄生過程的功能是揭示線蟲與植物互作的分子基礎(chǔ)。
線蟲免疫反應(yīng)中的關(guān)鍵蛋白凝集素
論文共同通訊作者、植保所研究員茆振川介紹,凝集素是一類廣泛存在于動物和植物中的非免疫來源的糖結(jié)合蛋白,與各類細(xì)胞發(fā)生作用,發(fā)揮重要的生物學(xué)功能。
根據(jù)蛋白序列相似性,可將凝集素分為G、L和C型凝集素。C型凝集素廣泛存在于線蟲屬中,參與免疫調(diào)控并具有保護線蟲免受病原物侵染的作用。在秀麗隱桿線蟲( Caenorhabditis elegans )中,存在278個C型凝集素蛋白,可將它們劃分為七類,特異地響應(yīng)不同的病原菌產(chǎn)生免疫反應(yīng)。
線蟲可寄生在動物和植物之上。在動物寄生線蟲中,C型凝集素在寄生階段分泌進(jìn)入宿主,可能調(diào)節(jié)宿主的免疫反應(yīng)。在植物寄生線蟲中,水稻根結(jié)線蟲( Meloidogyne graminicola )存在三個C型凝集素序列,定位于亞腹食道腺,在侵染早期表達(dá)量顯著升高,表明其在線蟲寄生過程可能起非常重要的作用。
發(fā)現(xiàn)靶標(biāo)蛋白MiCTL1
南方根結(jié)線蟲存在59個凝集素類蛋白,但是C型凝集素類效應(yīng)蛋白的功能和在植物中的靶標(biāo)蛋白仍然未知。
論文共同第一作者、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所趙建龍博士介紹,他們研究證明,南方根結(jié)線蟲凝集素類效應(yīng)蛋白MiCTL1在亞腹食道腺表達(dá)、在寄生過程分泌到植物組織中,在線蟲寄生初期表達(dá)量顯著增加,推測其可能在線蟲與宿主互作、取食位點建立、巨大細(xì)胞形成和調(diào)節(jié)植物免疫方面發(fā)揮重要作用。
研究人員通過誘導(dǎo) MiCTL1基因沉默,降低了南方根結(jié)線蟲在本氏煙中的侵染能力。而在擬南芥中異位表達(dá)MiCTL1基因不僅增加了植物對南方根結(jié)線蟲的敏感性,而且促進(jìn)了根的生長。
酵母雙雜交和免疫共沉淀試驗表明,MiCTL1a蛋白與擬南芥過氧化氫酶相互作用,后者在H2O2穩(wěn)態(tài)中起重要作用。過氧化氫酶的敲除或過表達(dá)分別顯示出擬南芥對南方根結(jié)線蟲的敏感性增加或減少。
此外,MiCTL1a蛋白在體內(nèi)和體外抑制過氧化氫酶活性,而且還調(diào)節(jié)擬南芥中與脅迫相關(guān)的基因表達(dá)。
研究結(jié)果表明,與孢囊線蟲類似,南方根結(jié)線蟲調(diào)節(jié)宿主細(xì)胞過氧化氫穩(wěn)態(tài)可能不僅是為了逃避宿主免疫反應(yīng),而且參與取食位點的建立和巨大細(xì)胞的形成與維持。
綜上所述,該研究首次報道了南方根結(jié)線蟲凝集素效應(yīng)子MiCTL1a與宿主過氧化氫酶互作,通過微調(diào)宿主與南方根結(jié)線蟲互作細(xì)胞部位的氧化還原狀態(tài),有助于線蟲與其宿主植物之間建立寄生關(guān)系。
本研究獲得國家自然科學(xué)基金、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)費和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程的資助。
相關(guān)論文信息:https://doi.org/10.1111/nph.17690