稻花香里寻“卧底”

来源：X一MOL资讯

水稻是世界三大粮食作物之一，尤其在中国、日本、泰国、越南等东亚国家，“人是铁，饭是钢”的饮食习惯已经深入到普通百姓的生活传统中。徜徉于稻花飘香的田野，让声声蛙鸣波动心弦，你可曾想过这片稻田里正在上演一出“无间风云”的大戏？下面我们就来看看这出戏中登场的角色：（1）稻褐飞虱（BPHs）——恶名昭著的“匪徒”，对亚洲水稻主产区造成重大危害的吮吸型昆虫。（2）水稻中的植保素（phytoalexins）和挥发性信息素（VOCs）——惩恶扬善的“警察”，前者通过化学防御保护水稻，直接抑制取食水稻的害虫，后者释放警告信号，召集害虫的天敌作为“援军”来间接打击敌人。（3）稻褐飞虱体内的微生物——早早进入黑道，跟着“大哥”稻褐飞虱作恶的同伙？等等，不对，它其实有一个隐藏多时的真正身份：水稻防御系统的“卧底”。

图片来源于网络

那么，这位神奇“卧底”的身份又是如何被揭示出来的？关键的线索还要从一种叫做“蜜露”（Honeydew）的物质说起。

蜜露，是稻褐飞虱在吸食水稻叶片时，分泌出的物质，富含消化后的植物汁液和大量食物残渣，会沉积在植物上，导致被侵染的植物表面呈现乌黑的外观。蜜露能支持多种微生物生长，且只在活跃的摄食昆虫中产生。它在水稻化学防御中是否发挥作用？这个问题以前还鲜有研究，却引起了日本冈山大学Ivan Galis课题组的浓厚兴趣。为此，他们设计了一系列实验来解开其中的奥秘。

Ivan Galis教授（前排右一）。图片来源：Galis课题组 [1]

他们首先将分离培养的水稻细胞，用稻褐飞虱的蜜露处理（清水空白对照），经过一段时间后，发现蜜露处理引起水稻细胞中植保素p-香豆腐胺（CoP）和阿魏酰腐胺（FP）的产生（下图）。随后以生长期水稻幼苗为研究对象，用蜜露处理完整的幼苗叶片时（清水空白对照），会强烈诱导植保素阿魏洛西单汀（FA）、CoP、FP的产生。当他们用稻褐飞虱侵食水稻幼苗时，会诱导幼苗中挥发性化合物（VOCs）芳樟醇的产生，若直接用蜜露涂抹水稻幼苗，会诱导芳樟醇浓度以剂量依赖方式增加。紧接着，他们用锯齿轮状工具，在幼苗叶片上制造一系列小伤口，并立即覆盖上蜜露，以模仿自然条件下稻褐飞虱侵食幼苗，造成植物机械性损伤，并分泌蜜露的过程，结果观察到稻苗的挥发性芳樟醇、石竹烯的释放量进一步显著增加。这些结果显示，蜜露能够诱导水稻的植保素和挥发性化合物产生。他们推测，蜜露的某些生物成分可能是水稻启动化学防御的诱导因子，也就是说，蜜露中含有水稻的“卧底”。

稻褐飞虱产生的蜜露能诱导水稻培养细胞植保素（CoP、FP）的显著升高。图片来源：J. Exp. Bot. 

下一步，他们着手设计实验，寻找这个“卧底”。为了研究蜜露中的生物活性成分，他们对蜜露进行稀释、离心，收集上清液，分别测试其诱导水稻培养细胞植保素的能力。离心后上清液，相比于初始蜜露、稀释后（体积比1:10）的蜜露、蜜露离心后重悬浮的液体，诱导水稻植保素CoP和FP的量显著下降。他们接下来将上清液用0.22 μm过滤器过滤，滤液相对于上清液，其植保素CoP和FP下降到更低（下图A）。对蜜露离心和（或）过滤处理，会使得蜜露失去生物大分子级别的活性诱导因子，这种活性诱导因子的大小尺度和微生物细胞相似，这使得他们把研究目标放在微生物上。他们对从蜜露中分离到的84株可培养微生物，运用微生物分类技术将其分为7个主要群（下图B），每个群选取代表菌株编号（2-06、2-08、2-19、3-16、4-05、4-07和4-24，下图B）。测试7个菌株诱发水稻防御的潜能。研究发现菌株2-19、3-16和4-24能诱发植物毒素CoP和FP的显著增加，其余菌株诱导植物毒素的能力较弱。他们选择一个强植物毒素诱导剂4-24，和一个弱诱导剂2-08，将两者组合。按照前述方式，模仿昆虫侵食叶片过程，人为制造叶片微创伤口并立即涂抹菌悬液，结果表明植保素CoP和FP的增加情况与前述蜜露处理微创伤口的结果相似。这些研究结果表明，蜜露中的微生物就是“卧底”。

(A) 初始、稀释、离心沉淀、离心上清、离心上清过滤处理的蜜露诱导水稻培养细胞植保素（CoP、FP）情况；(B) 从蜜露中分离到的微生物系统发育分类、对抗生素的抗性、及7个群代表性菌株的表型。图片来源：J. Exp. Bot.

然而，做“卧底”并不容易，常被误解（往往被认为与稻褐飞虱同流合污，共同作恶，破坏水稻生长），甚至可能被误伤（农用抗生素的使用，在打击害虫的同时，也可能抑制了其内生微生物）。Ivan Galis课题组用抗生素混合处理（利福平100 mg/mL，四环素250 mg/mL，大观霉素250 mg/mL，含空白对照组）侵食水稻幼苗的稻褐飞虱，发现抗生素处理下稻褐飞虱的微生物显著降低，但是，只有在微生物被完全抑制时，植保素的积累才显著下降（下图）。稻褐飞虱仅保留菌株4-24时，依然会诱导水稻植保素的积累。这说明，农用抗生素的使用，可能在一定程度上误伤了打入敌人内部的“盟友”。

抗生素处理（+AB）和不处理（-AB）情况下，稻褐飞虱诱导水稻幼苗植保素（CoP、FP）情况及稻褐飞虱蜜露中分离的微生物情况（LB培养基）。图片来源：J. Exp. Bot.

总结

Ivan Galis课题组一直致力于植物化学防御的研究，他们设计实验表明稻褐飞虱的分泌物—蜜露能够诱导植物通过积累植保素启动直接防御，并释放挥发性化合物吸引稻褐飞虱的天敌发动间接防御。进一步研究发现，稻褐飞虱蜜露中含有多种昆虫内生微生物，其中部分菌株能够诱导强烈的水稻化学防御。说明蜜露中诱导化学防御的活性因子是微生物。抗生素组合处理后的稻褐飞虱，其微生物受到抑制，诱导植保素的能力也降低。说明抗生素的使用，一定程度上影响了植物的化学防御作用。

当然，这场稻田“无间风云”的大戏还有很多精彩的内容有待揭示。例如，水稻防御系统是如何识别稻褐飞虱蜜露微生物的，其中的分子信号路径是怎样调控的？（即“卧底”需要提供信息给“警察”，两者“接头暗号”是什么？细节是怎样的？）农用抗生素是如何干扰影响这条分子信号路径的？在保护水稻等农作物的策略上，如何找到植物天然化学防御与人工农药使用的平衡？这些问题都需要深入地探讨。但是，从本文中可以看出，稻褐飞虱中的某些内生微生物，在宿主侵食水稻时，泄露宿主信息给水稻防御系统，确实在暗处默默扮演了保护水稻的“卧底”角色。