近日，清华大学生命科学学院刘玉乐团队在植物气传性免疫的分子机制及病毒的反防御机制方面取得了研究进展。相关研究成果已发表在国际权威期刊《Nature》(IF=64.8)上。
植物在感受到环境刺激时会产生挥发性化合物（volatile organic compounds，VOCs），其能作为空中线索发挥作用，被邻近的接收植物感知以引起防御，这种现象被称为气传性免疫（airborne defense，AD）。尽管几十年来，在许多物种中都观察到了这种植物间通讯（plant-plant communication，PPC）现象，并认识到其重要的生物学和生态学意义，然而，VOCs介导的PPC（包括 AD）的分子遗传框架在很大程度上还不清楚。此外，除乙烯受体外，植物感知其他VOCs的受体也一直未被鉴定。
蚜虫是全球最具破坏性的农业和园艺害虫，蚜虫以韧皮部为食，对作物生产造成广泛破坏。蚜虫的攻击会诱导植物释放VOCs，其主要成分是水杨酸甲酯（methyl salicylate，MeSA）。MeSA有助于植物抵御食草昆虫（包括蚜虫）的侵袭，如驱赶、吸引天敌或降低这些昆虫的生存能力。但是 MeSA 如何作为植物间通讯信号来激活相邻接收植物的抗蚜虫防御功能却是一个长期未解决的问题。例如，目前还不清楚植物是否拥有感知空气中MeSA 的受体系统。在蚜虫侵袭期间启动 MeSA 生成的机制也不甚明了。此外，尽管有报道称 MeSA 可介导烟草花叶病毒（TMV）的抗药性，但蚜虫和病毒是否以及如何调控抗药性仍有待阐明。
在这一研究中，刘玉乐团队发现蚜虫叮咬植物后，植物会产生MeSA，这些MeSA挥发到空气中能够被临近植物中的MeSA受体蛋白水杨酸结合蛋白-2（SA-binding protein-2，SABP2）感知结合，并将其转化为水杨酸（salicylic acid, SA）。SA激活转录因子NAC2，上调水杨酸羧基甲基转移酶1（SA-carboxylmethyltransferase-1，SAMT1）基因的表达，从而产生更多的MeSA，诱导植物的抗蚜虫免疫，从而降低病毒的传播。
另外，刘玉乐团队还发现一些蚜虫传病毒能够编码含有解旋酶结构域的蛋白质与NAC2蛋白相互作用，改变NAC2蛋白的亚细胞核定位至细胞质中，促使NAC2在细胞质中被26S蛋白酶体降解，从而负调控NAC2-SAMT1通路，抑制蚜虫叮咬植物中MeSA的合成和挥发，阻断植物间“预警”通讯，促进蚜虫对邻近植物的侵染和对病毒的传播。这一发现揭示了植物气传免疫的分子机制及病毒的反防御机制、揭示了全新的蚜虫-病毒之间的共进化的互惠方式。
植物气传性免疫的分子机制示意图
文章中，在进行萤火虫荧光素酶片段互补图像技术（LCI） 检测时，使用了博鹭腾 PlantView系列植物活体成像系统检测荧光素酶活性。
论文链接：http://10.1038/s41586-023-06533-3