烟粉虱-双生病毒-宿主植物互作中活性氧的作用及调控机制研究

An unavoidable consequence of aerobic metabolism is production of reactive oxygen species (ROS). Whether ROS would serve as signaling molecules or could cause oxidative damage to the tissues depends on the delicate equilibrium between ROS production and their scavenging. The role and regulation mechanisms of reactive oxygen species in the interactions between Bemisia tabaci, begomoviruses, and host plants are not clear until now. Firstly, by comparing the level of ROS and the antioxidant activity in the healthy and begomovirus-infected tobacco plants before and after whitefly infection, we can know the use of ROS-antioxidant systems in the plant to defense different environment. The specific genes to regulate ROS levels will be cloned using gene mutatimmunoprecipitation methods, phage expression library and yeast two-hybridization. The function of associated proteins acting in the regulation of ROS in plants will also be eliminated using gene mutation and co-immunoprecipitation assay. This project will help to explain the reason that the plants how to use the ROS-antioxidant systems to defense the infection of whitefly and begomovirus and to know the interaction mechanisms between whitefly-begomovirus-plants.

活性氧是生物细胞代谢的正常产物，但活性氧是作为信号分子或导致组织的氧化损伤取决于其产生和清除之间的微妙平衡。到目前为止，有关烟粉虱-双生病毒-宿主植物互作中活性氧的作用及调控机制研究还很匮乏。本项目首先通过比较烟粉虱取食前与取食后的健康与带毒普通烟植株内ROS的水平及抗氧化物类的活性差异，解释ROS-抗氧化系统在宿主植物防御烟粉虱和双生病毒共侵染的过程中所起的作用及调控机制；然后，利用数字基因表达谱、噬菌体表达文库及酵母双杂交等手段克隆宿主植物体内调控ROS水平的关键抗氧化酶类基因，利用基因突变、免疫共沉淀等方法明确相关蛋白对ROS调控的分子机制，并通过RNAi等方法确定相关蛋白在烟粉虱-双生病毒-宿主植物互作过程中对ROS水平调控的功能。研究内容可解释宿主植物如何通过ROS-抗氧化系统的调控来防御烟粉虱及双生病毒的共侵染，对进一步了解烟粉虱-双生病毒-宿主植物互作机制提供一新的理论证据。

宿主植物在受到植食性昆虫为害时可导致其生理生化状态发生一系列的改变，包括引起植物营养物质（如可溶性糖、可溶性蛋白质）的改变、诱导植物防御物质（如酚类、萜类等次生物质）及体内活性氧（ROS）的产生和积累，进而激活防御反应。细胞内的ROS是作为参与介导植物细胞与细胞之间的交流、激活防御机制的重要信号分子。故此，本研究以普通烟-中国番茄黄化曲叶病毒（TYLCCNV）-MED隐种烟粉虱为研究系统，探讨烟粉虱取食及其与TYLCCNV共侵染对普通烟植株中H2O2的积累、氧化酶活性、可溶性糖、可溶性蛋白及多酚含量变化的影响，同时分析普通烟和烟粉虱个体中调控ROS水平的关键抗氧化酶基因，明确相关蛋白对ROS调控的分子机制。研究结果显示：烟粉虱取食及其与TYLCCNV共侵染均可导致普通烟植株中H2O2含量较对照显著升高，进而防御烟粉虱取食及其与TYLCCNV共侵染，提高自身的抗逆性能；普通烟可通过改变过氧化氢酶CAT、超氧化物歧化酶SOD和过氧化物酶POD等抗氧化酶的活性来调控H2O2的含量，以减少ROS对其自身的伤害；普通烟也可通过改变其营养组分及积累防御物质来防御烟粉虱取食及其与TYLCCNV的共侵染。烟粉虱取食及其与TYLCCNV共侵染对普通烟基因的表达均有显著影响，烟粉虱与TYLCCNV共侵染胁迫普通烟的差异表达基因数量明显高于烟粉虱取食植株。普通烟差异表达基因的KEGG富集分析结果表明包括过氧化物酶体、谷胱甘肽代谢等通路明显富集，表明这些代谢通路在普通烟植株应对烟粉虱取食及其与TYLCCNV共侵染过程中特别是调控ROS含量的过程中起着重要的作用。携带TYLCCNV的烟粉虱可通过较其单独取食诱导植株内产生更少的多酚类防御物质来提高其在宿主植物上的适应性。磷脂氢谷胱甘肽过氧化物酶（PHGPX）在烟粉虱抵御环境压力及杀虫剂胁迫特别是调控ROS含量的过程中发挥着重要的防御作用。该研究解释了宿主植物普通烟可通过ROS-抗氧化系统的调控来防御烟粉虱及双生病毒的共侵染，为进一步了解烟粉虱-双生病毒-宿主植物互作机制提供一新的理论证据。