大气CO2浓度升高下乙烯信号介导的蒺藜苜蓿-豌豆蚜-苜蓿花叶病毒三者互作机制

By using twelve field facilities of CO2-controlled open-top chambers, this project aim to determine the bottom-up effects of elevated CO2 on the interaction among Medicago truncatula-pea aphid-alfalfa mosaic virus. The ethylene insensitive mutant sickle and wild-type alfalfa A17 are comparatively examined to study the nitrogen-fixing, carbon and nitrogen transport and allocation, and systemic defense pathways of plant; the feeding behavior, virus acquisition and transmission, and alate induction of pea aphid; the infection, duplication and spread of virus. These studies can not only determine the role of plant ethylene signaling in aphid infestation, virus transmission and spread, but clarify the mechanisms involved in the responses of Medicago truncatula-pea aphid-alfalfa mosaic virus to elevated CO2. The results could finally illustrate the effect of ethylene signaling pathway on feeding behavior of vector insect aphid and its relationship with virus acquisition and transmission, and on the population occurrence and alate induction of aphid. Furthermore, we also reveal the bottom-up effect of elevated CO2 on the molecular mechanism and ecological function of aphids which act as biological vector mediating the virus infection and transmission. The outcomes of this project are of great significance to explore and develop the crop endogenous resistance in ecological control of pest and disease under the context of global climate change.

本项目利用野外大型开顶式二氧化碳（CO2）浓度模拟控制气室，以CO2浓度升高为处理因子，以豆科植物蒺藜苜蓿、豌豆蚜、苜蓿花叶病毒为研究对象，以乙烯防御缺失型sickle和野生型苜蓿A17为研究材料，从植物的生物固氮、碳氮转运与分配、系统防御方面；从蚜虫的取食行为、传毒获毒、翅型分化方面；从病毒的侵染、复制、扩散方面，系统研究乙烯信号途径在介导蚜虫发生、病毒传播、转移扩散中的作用，明确蒺藜苜蓿-豌豆蚜-苜蓿花叶病毒对CO2浓度升高的响应机制。通过比较突变体对CO2浓度升高的响应特征，探明CO2浓度升高条件下植物乙烯途径对媒介昆虫取食行为及获毒传毒效率的影响，阐明蚜虫取食行为与获毒传毒的关系，明确乙烯信号途径在蚜虫种群发生、翅型分化中的作用，解析CO2浓度升高下蚜虫在介导病毒侵染和传播中的分子机制和生态功能，为在气候变化背景下充分发挥作物内源抗性为主的病害虫生态调控提供科学依据。

本项目主要以蒺藜苜蓿、豌豆蚜和病毒为对象，以野外大型开顶式CO2升高模拟控制气室为平台，研究蚜虫、虫媒病毒和寄主植物对大气CO2浓度升高的响应机制。发表SCI论文11篇，中文核心2篇，圆满完成了各项计划任务，并取得以下结论：（1）阐明了大气CO2浓度升高通过增加HSP90表达提高R-gene介导的抗性。基于蛋白组学和基因表达发现CO2升高通过增加蒺藜苜蓿HSP90及其伴侣分子SGT1和RAR1的表达，有利于增强蒺藜苜蓿R-gene介导的抗虫信号，并增加茉莉酸信号途径和泛素化介导的蛋白降解途径，不利于豌豆蚜的取食为害和种群发生。（2）明确了大气CO2浓度升高通过改变苜蓿酚类次生物质影响豌豆蚜取食行为的生态上行效应，染料木黄酮genistein是决定豌豆蚜寄主适应性的关键次生代谢物。（3）揭示了蚜虫传播非持久病毒的行为学基础，发现病毒通过沉默抑制子诱导植物活性氧积累，从而增加蚜虫的刺探频率，增强媒介昆虫的获毒效率和转移扩散能力。发现大气CO2浓度升高不利于虫媒病毒侵染植物的机制。CO2浓度升高能够增强钙离子结合蛋白rgs-CaM在植物中的表达，这直接抑制了病毒沉默抑制子的功能，从而降低了病毒对寄主植物的侵染效率。（4）解析了次生共生菌Serratia帮助豌豆蚜定殖、取食和脂代谢中的分子功能，发现Serratia侵染能够上调豌豆蚜唾液腺钙结合蛋白HRC的表达，抑制取食过程中植物钙信号迸发，不利于植物抗性信号转导，增加蚜虫韧皮部取食效率。另一方面，Serratia侵染还能够增强脂质合成基因的表达，增加脂肪酸积累，有利于豌豆蚜生长发育。这些研究综合分析了大气CO2浓度升高蚜虫与植物、蚜虫与病毒之间的分子联系，为气候变化背景下蚜虫及其传播病毒的防控提供理论依据。