棉花遗传改良团队解析棉铃虫效应子PPI5调控植物防御的分子机制

时间：2024年10月7日

来源：华中农业大学植物科学技术学院

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2024年10月1日，华中农业大学棉花遗传改良团队在Advanced Science杂志在线发表了题为“Cotton bollworm (H. armigera) effector PPI5 targets FKBP17-2 to inhibit ER immunity and JA/SA responses, enhancing insect feeding”的研究论文，文章解析了棉铃虫效应子PPI5靶向FKBP17-2抑制内质网免疫和JA/SA响应，促进昆虫取食的分子机制

南湖新闻网讯（通讯员王雅欣）棉花是重要的战略物资，我国棉花种植业产值1500亿，棉纺织全产业链1.2万亿，是我国的支柱产业之一。棉花常年种植面积4500万亩，87%的面积在新疆，涉及4000多万人就业，对边疆稳定、经济发展意义重大。棉花虫害多达30余种，常年造成200亿元以上的经济损失。棉铃虫是一种广泛分布的多食性害虫。由于它的杂食性、迁徙力和高繁殖力，棉铃虫已经入侵了亚洲、非洲和欧洲等多个国家。这种昆虫能够以100多种不同的植物为食，对作物造成重大经济损失，估计价值超过20亿美元。Bt抗虫棉部分实现对棉铃虫的防控，但Bt抗性逐渐下降，次级害虫上升为主要害虫，至今没有有效的控制办法。我国抗虫棉研发滞后，主要原因是缺乏突破性抗虫基因以及遗传工程技术创新不足。阐明棉花抗虫机制发掘新基因、开发基因工程新工具具有重要意义，是我国抗虫棉升级的必由途径。

植物-昆虫相互作用被认为是最古老的共同进化的系统之一，在这段相互依存，彼此竞争的共同进化过程中，植物和昆虫都进化出防御机制以抵御对方的入侵。植物由于无法移动从而摆脱昆虫侵袭，进化出了适应性防御性机制来改善它们的繁殖和生存，比如表皮毛、蜡质层来抵抗昆虫的取食。一些昆虫已经进化出独特的刺吸式口器，可以吸取植物花蜜来确保它们获得足够的营养。另一部分昆虫则通过咀嚼式口器取食植物，植物识别植食性昆虫相关分子模式(HAMPs)并调整其防御反应以对抗昆虫入侵。棉铃虫在取食时会对植物造成严重的机械损伤，并在机械伤口处留下口腔分泌物（OSs）。这些口腔分泌物在入侵植物过程中所起的作用在很大程度上仍不为人所知。

本研究收集了以棉花叶片为食的棉铃虫的口腔分泌物（OSs），并进行了蛋白质组学分析，共筛选出19个候选基因。利用烟草瞬时表达系统筛选到一个候选基因，PPI5诱导了烟草叶片细胞的坏死反应。进一步实验发现PPI5诱导的细胞死亡不依赖于与PTI和ETI相关的介导细胞死亡的途径。

酵母信号肽实验、蛋白涂抹实验、全量免疫组化实验进一步证明了PPI5分泌到植物中干扰植物的防御反应。在烟草和棉花异源表达PPI5不仅增加了烟草和棉花对棉铃虫的易感性，还抑制了棉花和烟草的JA、SA响应。

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为了探究PPI5对棉花和烟草激素水平的调控作用，团队用PPI5做诱饵进行酵母文库筛选。Y2H, LCI, BIFC和Pulldown实验证明PPI5与GhFKBP17-2直接互作。

进一步实验发现，PPI5与GhFKBP17-2共定位在内质网上且PPI5直接抑制GhFKBP17-2的PPIase酶活和内质网介导的植物免疫。

最后，CRISPR/Cas9敲除突变体(CR-GhFKBP17-1/3)、VIGS材料 (TRV: GhFKBP17-2)和过表达系(OE -GhFKBP17-1/3)在温室和田间的昆虫生物测定实验共同表明GhFKBP17-2在棉铃虫侵染中正向调节内质网(ER)应激介导的植物免疫。

综上，团队解析了PPI5和GhFKBP17-2在调节植物防御反应和敏感性的互作模型。昆虫摄食会诱导食草动物相关分子模式（HAMP），从而激活内质网（ER）定位蛋白 FKBP17-2。这种激活会触发ER中的未折叠蛋白反应（UPR），从而诱导ER应激，最终导致细胞程序性死亡（PCD）。此外，棉铃虫的口腔分泌蛋白 PPI5 通过取食造成的机械伤口进入植物体内。一方面，PPI5 与 GhFKBP17-2 相互作用，抑制蛋白质的表达和 PPIase 的活性，从而抑制 ER 应激介导的植物免疫。另一方面，PPI5 还能抑制 JA 和 SA 的防御反应。PPI5 介导的植物免疫抑制可能会使植物更容易受到棉铃虫的入侵，从而改善棉铃虫的取食和发育。

据悉，这是我校棉花团队金双侠课题组在棉花抗虫基因工程应用方面的又一新进展，前期该课题组利用多组学技术和新型基因编辑工具解析并创制了多种抗虫优异新种质，为棉花抗虫分子机制解析提供了完备的研究体系（Wang et al., 2024, Plant Communications; Wang et al., 2024, Plant Cell Reports; Alariqi et al., 2023, Plant Journal; Sun et al., 2023, Advanced Science; Liang et al., 2021, Journal of Cellular Physiology; Si et al., 2020, Crop Journal; Luo et al., 2017, New Phytologist; Li et al., 2016, Plant Biotechnology Journal）。

华中农业大学王雅欣博士为本论文第一作者，金双侠教授、张献龙院士，石河子大学聂新辉教授为论文的共同通讯作者，英国杜伦大学Keith Lindsey教授、我校马伟华教授参与了本项目的设计和指导。Muna Alariqi博士后, 朱传应博士，Amjad Hussian博士，研究生陈格非、李雪珂、朱明举等参与了该项研究工作。