研究提出通过白色体有效防治植物根结线虫病的新策略

作者：MP植物 2024/8/19 13:56:31

根结线虫是一类能寄生在多种作物根部的地下病害，在全球范围内流行，难以防治，可导致严重的经济损失。苏云金芽孢杆菌产生的Bt蛋白以及转Bt基因作物已成功的用于多种病虫害的防治策略中，其中也有研究报道了Bt蛋白对根结线虫的有效性。质体是植物重要细胞器，包括叶片中的叶绿体和根部的白色体（leucoplast）等，在光合作用、植物代谢产物合成以及生物与非生物胁迫响应中发挥着至关重要的作用。前期研究表明，根结线虫入侵后，在根结（gall）内会诱导几个植物细胞分化而不分裂，从而形成巨细胞（giant cell），供其吸取寄主植物的营养物质。虽然已有部分研究报道了巨细胞内细胞器的显著增多，但其具体的生物学意义尚不明晰。

近日，中国农业科学院深圳农业基因组所/湖北大学张江教授团队在Molecular Plant上发表题为“Efficient control of root-knot nematode by expressing Bt nematicidal protein in root leucoplast”（通过根白色体表达Bt蛋白有效控制根结线虫）的研究论文（图1），研究发现了根结线虫入侵宿主植物取食白色体蛋白的现象，基于此提出了一种在白色体中表达Bt蛋白以防治根结线虫的新策略。

该研究发现了根结线虫入侵拟南芥根部后，根结处白色体分裂基因显著上调，白色体数量显著增多（图2A-C）。免疫电镜结果显示，白色体的数量仅在大细胞内显著增多，而根结内的非巨细胞中白色体数量与未感染的根细胞相比无显著差异（图2D-G）。并且，大多数白色体都形成了与免疫防御和自噬降解相关的充满基质的小管（stromule）（图2H）。

图2 根结线虫入侵后白色体的响应

正常情况下，未侵染根结线虫的根部白色体通常呈现规则的形状，直径约在2 μm。然而，我们发现在线虫入侵后，根结内的白色体发生了降解现象，其GFP荧光信号可以在白色体外观察到。此外，破裂降解的白色体周围还形成了小囊泡（图3A）。与未侵染的根相比，我们检测到根结内自噬相关基因的表达显著上调。通过免疫电镜进一步观察，发现白色体的降解仅发生在巨细胞内，并在白色体周围形成了装载有GFP蛋白的小囊泡（图3F-G）。为了探究根结线虫是否能够取食这些在响应过程中发生变化的白色体，我们分离了根结线虫的取食器官—口针和食道腺，并对这些结构的直径进行了比较。结果表明，只有直径小于根结线虫口针的小囊泡具备被根结线虫取食的可能性（图3H-I）。随后，通过免疫电镜和Western blot分析，我们进一步证实了白色体的内源蛋白和外源表达的GFP均可在根结线虫体内检测到（图3J-K）。

图3 根结线虫取食白色体的蛋白

基于以上的发现，作者设计了不同白色体介导表达Bt蛋白的策略，以期实现对根结线虫的防治。通过比较表达水平，最终确定利用RecA1转运肽在白色体中表达Cry5Ba2蛋白的策略能过够达到较高的表达水平。作者随即在烟草和番茄中应用该策略进行根结线虫的抗性评价。结果显示，与细胞质定位表达的Cry5Ba2蛋白达到相同水平的株系相比，在根结数和卵块数上抗性表现相当。然而，白色体定位表达Cry5Ba2蛋白的番茄株系中，Bt蛋白被根结线虫雌虫的取食量更高，50天后的卵数更显著的减少。证明了通过白色体表达并递送的杀线虫蛋白可以有效提升作物对根结线虫的抗性水平（图4）。这一发现也提出了一种有效防控根结线虫的新策略。

图4 白色体表达并递送杀线虫蛋白的示意图

湖北大学生命科学学院博士研究生王勇为论文第一作者，中国农科院深圳基因组所张江教授和湖北大学张凤娟副教授为共同通讯作者。湖北大学王梦楠、张雅丽、彭龙威以及华中农业大学的代大东博士后为论文的共同作者。德国马普所Ralph Bock教授和华中农业大学孙明教授也对本研究前期提供了大力帮助。本研究工作获得国家自然科学基金，中国农科院创新工程等项目的资助。