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植食性昆蟲是植物生存最重要的威脅之一，根據(jù)它們的口器不同，可以將昆蟲分為咀嚼式昆蟲和刺吸式昆蟲。在植物和昆蟲的共進化過程中，植物進化出了復雜多樣的抵御昆蟲取食的策略，包括精妙的信號傳導系統(tǒng)和多種多樣的植物抗蟲次生代謝產(chǎn)物。比如，植物激素茉莉酸（Jasmonic acid，JA）是關鍵的調(diào)控植物抗蟲性的信號物質(zhì)，而芥子油苷（glucosinolates，GS）是十字花科植物的重要抗蟲次生代謝物。
植物不僅會在昆蟲取食（本地）部位做出響應而且還可以在昆蟲未被取食的遠端（系統(tǒng)）部位也產(chǎn)生抗蟲響應，這一過程被稱為系統(tǒng)性抗蟲響應?；钚匝酰╮eactive oxygen species，ROS）信號、鈣（Ca2+）信號和電信號參與了植物葉片與葉片間系統(tǒng)性抗蟲信號的快速傳遞，而且三者的傳遞過程均依賴于谷氨酸受體蛋白（glutamate receptor-like protein）GLR3.3和GLR3.6。盡管GLR3.3和GLR3.6在植物系統(tǒng)性信號傳遞中的功能較為明確，然而它們是否以及如何參與植物的系統(tǒng)性抗蟲響應尚不清楚。
近期，中國科學院昆明植物研究所吳建強團隊利用刺吸式口器昆蟲桃蚜（Myzus persicae）及咀嚼式口器昆蟲斜紋夜蛾（Spodoptera litura）兩種不同取食方式的昆蟲，以及野生型和GLR3.3和GLR3.6基因突變體擬南芥為研究對象，通過抗蟲表型分析、激素及次生代謝物檢測，并利用轉錄組和代謝組關聯(lián)分析，揭示了GLR3.3和GLR3.6在植物系統(tǒng)性抗蟲中的作用機理。
研究結果發(fā)現(xiàn)，桃蚜和模擬斜紋夜蛾取食（W+OS處理）誘導的系統(tǒng)性鈣離子（Ca2+）信號的增強依賴于GLR3.3和GLR3.6（圖1）；而且與野生型擬南芥相比，glr3.3 glr3.6雙突變體中對桃蚜及斜紋夜蛾的系統(tǒng)性抗蟲能力減弱（圖2），表明GLR3.3和GLR3.6在擬南芥系統(tǒng)性抗蟲過程中發(fā)揮了重要的作用。進一步對抗蟲相關物質(zhì)的測定發(fā)現(xiàn)，茉莉酸（JA）和芥子油苷（GS）在系統(tǒng)葉片的含量降低。轉錄組分析表明，GLR3.3和GLR3.6在擬南芥系統(tǒng)葉片對昆蟲取食的轉錄響應中發(fā)揮了重要的作用，尤其是JA和GS相關基因的表達。此外，代謝組分析發(fā)現(xiàn)，GLR3.3和GLR3.6還調(diào)控了氨基酸、碳水化合物和有機酸等響應昆蟲取食的重要代謝物在系統(tǒng)葉片的積累。綜上所述，該研究深入地分析了谷氨酸受體GLR3.3和GLR3.6在植物系統(tǒng)性抗蟲響應中的功能，揭示了GLR3.3和GLR3.6不僅調(diào)控植物響應昆蟲取食產(chǎn)生的系統(tǒng)性Ca2+信號的傳遞，還調(diào)控植物系統(tǒng)性抗蟲響應，包括抗性基因的表達以及抗蟲代謝物的積累，為從分子水平上了解植物系統(tǒng)性抗蟲響應提供了重要的理論依據(jù)，也為培育抗蟲農(nóng)作物提供了參考。
該研究以The glutamate receptor-like 3.3 and 3.6 mediate systemic resistance to insect herbivores in Arabidopsis為題，在線發(fā)表在Journal of Experimental Botany上，中國科學院昆明植物研究所博士研究生薛娜為論文第一作者，吳建強研究員為通訊作者。該研究得到了先導培育項目、云南省基礎研究計劃優(yōu)青項目、中科院青年創(chuàng)新促進會、中科學“西部之光”人才培養(yǎng)計劃項目的資助。
文章鏈接：https://academic.oup.com/jxb/advance-article/doi/10.1093/jxb/erac399/6754912
圖1 桃蚜和W+OS處理誘導的系統(tǒng)性Ca2+信號的增強依賴于GLR3.3和GLR3.6
圖2 擬南芥glr3.3 glr3.6雙突變體對桃蚜及斜紋夜蛾的抗性降低
