昆虫与植物跨界交流的秘密被破解

自然界中，大多数植物通过光合作用自养生存，而一种植物需要全部或部分依靠其他植物获取营养和水分。这种植物被称为寄生植物，菟丝子就是其中的典型代表。

目前，菟丝子与寄主之间的物质和信号传递研究取得了一些进展。但是，在菟丝子及其寄主组成的生态系统中，当昆虫以菟丝子为食时，昆虫与菟丝子及其寄主植物之间发生了怎样的关系？

中国科学家近日在英文期刊《植物多样性》上发表了题为《桃蚜、菟丝子寄生虫与黄瓜寄主植物的跨界交流与转移》的研究成果，刷新了人们的认知。

运输mRNA或作为长距离运输信号发挥生物学功能

MRNA，即“信使核糖核酸”，是一大类核糖核酸分子，将遗传信息从脱氧核糖核酸传递到核糖体，在核糖体中充当蛋白质合成的模板，决定基因表达蛋白产物肽链的氨基酸序列。

目前已发现寄生植物约4500种，约占花卉植物的1%。寄生植物通过特殊器官——吸器与寄主建立维管束连接，获得无机盐、水分和养分。此外，宿主体内的次生代谢产物、mRNA、蛋白质甚至病毒和类病毒都可以运输到寄生植物体内。

菟丝子是旋花科植物菟丝子的一年生或多年生特化茎寄生植物，萌发后必须寄生于寄主体内才能存活。菟丝子通过吸器与寄主的维管组织相连，形成物质交流通道。转录研究表明，在没有任何生物或非生物胁迫的情况下，菟丝子与其宿主之间存在成千上万的mRNA交换，所转运的mRNA可能作为长距离运输的信号发挥生物学作用。

桃蚜是一种杂食性蚜虫。据相关文献记载，其寄主植物多达74科285种。它的生命周期短，繁殖量大。它不仅能吸取植物中的汁液，还能分泌蜜露，造成煤烟斑，影响植物的正常生长。更重要的是，它能传播多种植物病毒，如黄瓜花叶病毒、马铃薯Y病毒和烟草蚀刻病毒等。是果蔬栽培中的主要害虫。

“桃蚜是农业生产的一大威胁，也是为数不多的能吃菟丝子的刺吸式昆虫，与菟丝子的寄主相比，更喜欢吃菟丝子。”中国科学院昆明植物研究所研究员吴建强表示，此前的研究表明，桃蚜不仅以寄主植物的韧皮部汁液为食，还会将各种蛋白质、mRNA和病毒运输到植物体内。

目前，关于菟丝子与寄主之间的物质和信号传递，尤其是mRNA的传递，已有很多研究。然而，关于桃蚜、菟丝子和寄主之间的mRNA信息交换的研究还未见报道。

昆虫、寄生植物和寄主植物间的基因跨界交流

在建立菟丝子及其寄主黄瓜寄生系统的基础上，吴建强带领的研究团队利用桃蚜取食菟丝子，从而对菟丝子进行生物胁迫，重点研究桃蚜、菟丝子与黄瓜叶、根之间的mRNA转运。

“研究表明，桃蚜的取食大大增强了菟丝子与黄瓜之间mRNA的双向转运，大量mRNA在菟丝子和桃蚜体内双向转运。”吴建强说，有趣的是，有少量mRNA通过菟丝子从黄瓜转运到桃蚜，又从桃蚜转运到黄瓜叶片和根部，说明菟丝子可能在一定程度上介导了其寄主与蚜虫的相互作用。这是首次发现昆虫、寄生植物和宿主植物之间的双向mRNA信息交换。

他们还分析了运输的基因的特征。结果表明，长度较长、表达量较高的基因更容易被运输。转运mRNA在受体物种总mRNA中所占比例相对较低，平均为0.04%-1.3%。

经桃蚜取食后，菟丝子体内激素的变化趋势与黄瓜叶片一致，表现为茉莉酸含量增加，水杨酸含量减少，而黄瓜根中茉莉酸含量减少，水杨酸含量增加，说明抗虫信号由菟丝子传递到黄瓜叶片和根，从而导致菟丝子、黄瓜叶片和根对桃蚜取食的抗虫反应。

此外，桃蚜取食胁迫诱导的差异表达基因在菟丝子中较少，而黄瓜叶片和根中的差异表达基因相对较多，这表明在转录水平上寄主对菟丝子的信号反应强于菟丝子对桃蚜的信号反应。

“基于以上研究结论，我们提出了昆虫、寄生植物和寄主植物之间跨界双向mRNA交流的观点，对于深入理解昆虫、寄生植物和寄主植物之间的多重相互作用具有重要意义。”吴建强说，这项研究展示了三者之间复杂而动态的相互作用，这将进一步揭示植物与昆虫相互作用的秘密，为生物防治提供新的方法和理论依据。