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昆明植物所在玉米系統性響應害蟲脅迫研究中取得進展

  玉米產量已經連續多年穩居世界第一,在農業生產上占有重要地位,而蟲害是玉米穩產增產的嚴重障礙。粘蟲(Mythimna separata Walker)是我國玉米生產面臨的重要威脅之一,其取食造不但成大量玉米減產,每年防治粘蟲必須使用大量農藥,造成了不可忽視的環境和生態問題。了解粘蟲和玉米間如何相互作用對培育新型抗蟲玉米有重要意義。中國科學院昆明植物研究所功能基因組學與利用團隊吳建強課題組先期研究表明,玉米在受到粘蟲取食后,可以特異識別粘蟲口腔分泌物中的激發子,啟動基因轉錄、蛋白表達,以及合成和積累抗蟲相關次生代謝產物,從而增強自身對粘蟲的抗性(相關報道),然而在粘蟲危害后,蟲害誘導的信號在同一片葉子中如何傳遞,以及這個抗蟲相關信號是否在系統葉片(沒有受蟲害脅迫的葉片)中發揮功能依然未知。 

  吳建強課題組深入分析了玉米葉片不同部位受到機械損傷及模擬粘蟲取食處理后,本地及系統葉片中激素茉莉酸、次生代謝產物丁布類物質、以及轉錄組的變化。研究發現,機械損傷及模擬粘蟲取食誘導的信號在處理的本地葉片中可以沿著從葉基部到葉尖方向傳遞,表現為誘導茉莉酸的合成以及丁布的積累,但是不能反向傳遞。少量的信號可以越過葉尖部位傳遞到同一葉片臨近部位。在系統性葉片中,機械損傷及模擬粘蟲取食誘導的信號可以誘導茉莉酸的合成,以及丁布合成相關基因的表達,但是丁布的積累不受機械損傷誘導,只有在模擬粘蟲取食后才表現為誘導積累,預示了粘蟲口腔分泌物中的激發子在誘導系統抗蟲性中的重要功能。模擬粘蟲取食后不同時間切除處理葉片后,測定系統葉片的茉莉酸水平發現,此系統信號在處理后30分鐘內已經被傳遞到系統葉片。通過系統葉片的轉錄組分析,以及轉錄因子結合啟動子調控的丁布合成酶生物信息學分析表明,轉錄因子bHLH57WRKY34可能參與調控系統葉片響應抗蟲信號的丁布積累。 

  該研究揭示了玉米在系統響應害蟲取食后,葉片的不同部位以及系統葉片如何調控植物激素、次生代謝產物及基因表達,進行有效的抵御,為抗蟲玉米的分子育種提供了理論參考。 

  相關研究結果以“The oriental armyworm (Mythimna separata) feeding induces systemic defence responses within and between maize leaves”為題在TOP10綜合性期刊Philosophical Transactions of the Royal Society B上發表。中國科學院昆明植物研究所Saif ul Malook,齊金峰,Christian Hettenhausen為共同第一作者,吳建強研究員為論文通訊作者。該研究得到了NSFC-云南省聯合基金等項目的支持。 

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圖1.  玉米葉片中JA和JA-Ile對機械損傷及模擬粘蟲取食的積累響應

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