唾液在灰飞虱与宿主植物互作中的作用机制研究

For millions of years, plant and herbivores have been engaged in a tight co-evolution arm race, and the saliva played important roles in this process. A variety of enzymes, binding proteins, and other salivary proteins with unknown functions can induce a series of defense response in damaged plants. We have previously identified the composition of saliva proteins in small brown planthopper （Laodelphax striatellus, SBPH）, and this project will further investigate the function of these saliva proteins. We will initially screen the key proteins that influence the SBPH feeding and host plant adaptation, which facilitated to establish the correlation between saliva and insect feeding. Then, the saliva proteins will be expressed in insect cell lines and plants, determining the biological function of insect saliva; Finally, the influence of SBPH saliva on host plant will also be investigated, which helped to unveil the underlying mechanism of herbivores induced plant defense responses. Successful completion of this study is expected to clarify the role of saliva proteins in the interaction between insects and host plants, and will provide new insights into pest management through saliva approach.

数百万年来，昆虫与植物之间开展“军备竞赛”式的协同进化，而唾液在其中扮演着重要的角色。植食性昆虫的唾液包含各种酶类、结合蛋白以及其他功能未知蛋白，能诱导和调控植物的防御反应。本研究在前期完成灰飞虱唾液成分鉴定的基础上，拟对唾液蛋白的功能展开深入研究：筛选影响灰飞虱取食和宿主适应性的关键唾液蛋白，明确唾液对昆虫取食的影响；在昆虫细胞系和植物体内外源表达唾液蛋白，确定蛋白的生物学功能；分析植物对灰飞虱唾液蛋白的反应，明确关键唾液蛋白影响植物抗虫防御应答的作用机理。研究结果将有助于揭示唾液蛋白在昆虫和植物互作中的作用，从唾液的角度为农业害虫的综合防治奠定理论基础。

数百万年来，昆虫与植物之间开展“军备竞赛”式的协同进化，而唾液在其中扮演着重要的角色。本研究首先系统比较了稻飞虱、叶螨、盲蝽、蚜虫等植食性害虫的唾液成分，发现heat shock protein、serine protease、apolipoprotein、actin,和glucose dehydrogenase等蛋白在不同昆虫的唾液中普遍存在。除了分泌planthopper-specific proteins（PSPs）以外，三种稻飞虱均在取食过程中分泌DNase II。通过体外DNA酶活实验，我们发现灰飞虱唾液具有很强的降解DNA的能力，且在灰飞虱体内的4种DNA酶中，只有DNase II被分泌到唾液中，并起到降解植物DNA的作用。抑制灰飞虱DNase II表达，灰飞虱在植物上取食受到显著影响，但对人工饲料取食影响不大。基于DNase II具有抑制植物过氧化氢积累和胼胝质形成的功能，我们提出了唾液DNase II帮助灰飞虱取食的模型：DNase II在唾液腺中合成，与其他唾液成分一起分泌到植物组织中。当灰飞虱口针穿刺植物组织，一些植物细胞受到损伤，受伤的细胞可能会释放DNA到细胞间隙。唾液中DNase II有助于降解植物细胞间隙中的DNA，阻止周围细胞检测到“危险信号”。如果唾液中没有足够的DNase II，细胞间隙的DNA将诱导植物的防御反应，影响灰飞虱的正常取食。此外，我们还发现唾液鞘蛋白LsSP1在灰飞虱取食过程中发挥重要作用，并提出灰飞虱唾液鞘蛋白LsSP1抑制植物防御反应的模型：LsMLP是灰飞虱唾液鞘的主要成分，它是灰飞虱取食所必须的。然而，LsMLP以及其他唾液成分会被植物识别并激活SA介导的抗灰飞虱防御反应。同时，LsSP1也在灰飞虱取食过程中分泌，并结合在灰飞虱唾液鞘上。一方面，LsSP1可能通过与LsMLP结合，避免LsMLP诱导的抗虫防御；另一方面，LsSP1与水稻的半胱氨酸蛋白酶结合，使这些具有抗虫防御功能的蛋白酶被吸附到唾液鞘上，避免其激活植物抗虫防御。本研究结果将有助于揭示唾液蛋白在昆虫和植物互作中的作用，从唾液的角度为农业害虫的综合防治奠定理论基础。