昆明植物所在昆虫-寄生植物-寄主植物三者之间跨界mRNA交流研究中取得进展

自然界中绝大部分植物通过光合作用自养生活，而有一类植物则是需要全部或者部分依赖于其他植物获得营养和水分，这类植物被称作寄生植物。目前，约有4500种寄生植物被发现，大约占开花植物的1%。寄生植物通过一种特殊的器官——吸器与寄主建立维管束的连接获取无机盐、水分和营养物质等。此外，寄主中的次生代谢产物、mRNA、蛋白质甚至病毒和类病毒等物质也可转运到寄生植物中。

菟丝子是旋花科菟丝子属的一年生专性茎寄生植物，萌发后必须寄生在寄主上才能生活。菟丝子通过吸器与寄主的维管组织连接形成物质交流的通道。已有转录组学研究表明，菟丝子和寄主在没有任何生物或者非生物胁迫的状态下已经存在着上千个mRNA的交流，而且转运的mRNA可能作为一种长距离运输的信号发挥生物学功能。桃蚜作为一种广食性的蚜虫，对农业生产有重大威胁，同时蚜虫也是为数不多的可以取食菟丝子的刺吸式昆虫之一（图1A）。桃蚜在取食过程中，通过口器不但取食宿主韧皮部汁液，并且也向植物体内转运多种蛋白、mRNA及病毒等大分子。 

目前，在菟丝子和寄主两者之间的物质和信号转运研究较多，尤其是mRNA的转运研究较为丰富。而在桃蚜、菟丝子及寄主构成的三营养级互作体系里，桃蚜-菟丝子-寄主三者之间mRNA信息交流的研究还没有报道。 

图1 桃蚜取食菟丝子及桃蚜-菟丝子-黄瓜寄生体系 

中国科学院昆明植物研究所吴建强研究团队在建立菟丝子和寄主黄瓜寄生体系的基础上，利用桃蚜取食菟丝子，从而对菟丝子进行生物胁迫（图1B），重点探究桃蚜-菟丝子-黄瓜叶和根之间mRNA的转运。研究利用转录组学测序技术、生物信息学和生物化学与分子生物学等技术手段，首次解析了昆虫-寄生植物-寄主植物三者之间跨界信息交流，尤其是mRNA的转运情况并取得以下研究结果： 

1. 桃蚜取食大大增强菟丝子和黄瓜之间mRNA的双向转运，同时也有大量mRNA在菟丝子和桃蚜中进行双向转运。有趣的是，有少量的mRNA通过菟丝子从黄瓜转运到桃蚜和从桃蚜转运到黄瓜的叶片及根，表明菟丝子可能能够在一定程度上介导其寄主与蚜虫的互作（图2）。这是首次发现在昆虫-寄生植物-寄主植物三者之间跨界的mRNA信息交流。 

图2 桃蚜-菟丝子-黄瓜叶和根之间mRNA交流的模式图 

2. 对转运的mRNA进行特征分析，结果表明，长度较长和表达量较高的mRNA更倾向于被转运。转运的mRNA在受体物种的总mRNA中的占比较低，平均在0.04-1.30%左右。 

3. 菟丝子受到桃蚜取食胁迫之后，菟丝子和黄瓜叶中激素变化趋势一致，表现为茉莉酸含量升高，水杨酸降低；而黄瓜根中茉莉酸含量降低，水杨酸含量升高。表明抗虫性信号从菟丝子传递到黄瓜叶和根中，导致菟丝子、黄瓜叶和根对桃蚜取食产生了抗虫响应。此外，桃蚜取食胁迫在菟丝子中诱导的差异表达基因较少，而黄瓜叶和根中差异表达基因相对较多，说明在转录水平上寄主对菟丝子传导的系统性信号的响应要比菟丝子对桃蚜的响应更强烈（如图2）。 

基于以上研究结论，吴建强团队提出昆虫-寄生植物-寄主植物三者之间跨界mRNA交流的观点。文章以“Inter-species mRNA transfer among green peach aphids, dodder parasites, and cucumber host plants”为题发表在Plant Diversity上，中科院昆明植物研究所博士后宋娟和硕士研究生卞金鸽为文章共同第一作者，吴建强研究员为通讯作者。本研究得到中国博士后面上项目（2020M673314和2020M673315）和云南省博士后定向项目的支持。