根結(jié)線(xiàn)蟲(chóng)是一類(lèi)能寄生在多種作物根部的地下病害蟲(chóng)，在全球范圍內(nèi)流行,，難以防治，可導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失,。蘇云金芽孢桿菌產(chǎn)生的Bt蛋白以及轉(zhuǎn)Bt基因作物已成功的用于多種病蟲(chóng)害的防治策略中，其中也有研究報(bào)道了Bt蛋白對(duì)根結(jié)線(xiàn)蟲(chóng)的有效性,。質(zhì)體是植物重要細(xì)胞器,，包括葉片中的葉綠體和根部的白色體（leucoplast）等，在光合作用,、植物代謝產(chǎn)物合成以及生物與非生物脅迫響應(yīng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,。前期研究表明，根結(jié)線(xiàn)蟲(chóng)入侵后，在根結(jié)（gall）內(nèi)會(huì)誘導(dǎo)幾個(gè)植物細(xì)胞分化而不分裂,，從而形成巨細(xì)胞（giant cell）,，供其吸取寄主植物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。雖然已有部分研究報(bào)道了巨細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器的顯著增多,，但其具體的生物學(xué)意義尚不明晰,。

近日,，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室深圳分中心）張江團(tuán)隊(duì)在國(guó)際刊物《分子植物（Molecular Plant）》上發(fā)表題為“Efficient control of root-knot nematode by expressing Bt nematicidal protein in root leucoplast（通過(guò)根白色體表達(dá)Bt蛋白有效控制根結(jié)線(xiàn)蟲(chóng)）”的研究論文,，研究發(fā)現(xiàn)根結(jié)線(xiàn)蟲(chóng)入侵宿主植物取食白色體蛋白的現(xiàn)象，基于此提出了一種在白色體中表達(dá)Bt蛋白以防治根結(jié)線(xiàn)蟲(chóng)的新策略,。

該研究發(fā)現(xiàn)了根結(jié)線(xiàn)蟲(chóng)入侵?jǐn)M南芥根部后,，根結(jié)處白色體分裂基因顯著上調(diào)，白色體數(shù)量顯著增多（圖2A-C）,。免疫電鏡結(jié)果顯示,，白色體的數(shù)量?jī)H在大細(xì)胞內(nèi)顯著增多，而根結(jié)內(nèi)的非巨細(xì)胞中白色體數(shù)量與未感染的根細(xì)胞相比無(wú)顯著差異（圖2D-G）,。并且,，大多數(shù)白色體都形成了與免疫防御和自噬降解相關(guān)的充滿(mǎn)基質(zhì)的小管（stromule）（圖2H）。

圖2 根結(jié)線(xiàn)蟲(chóng)入侵后白色體的響應(yīng)

正常情況下,，未侵染根結(jié)線(xiàn)蟲(chóng)的根部白色體通常呈現(xiàn)規(guī)則的形狀,，直徑約在2 μm。然而,，研究人員發(fā)現(xiàn)在線(xiàn)蟲(chóng)入侵后,，根結(jié)內(nèi)的白色體發(fā)生了降解現(xiàn)象，其GFP熒光信號(hào)可以在白色體外觀察到,。此外,，破裂降解的白色體周?chē)€形成了小囊泡（圖3A）。與未侵染的根相比,，研究人員檢測(cè)到根結(jié)內(nèi)自噬相關(guān)基因的表達(dá)顯著上調(diào),。通過(guò)免疫電鏡進(jìn)一步觀察，發(fā)現(xiàn)白色體的降解僅發(fā)生在巨細(xì)胞內(nèi),，并在白色體周?chē)纬闪搜b載有GFP蛋白的小囊泡（圖3F-G）,。為了探究根結(jié)線(xiàn)蟲(chóng)是否能夠取食這些在響應(yīng)過(guò)程中發(fā)生變化的白色體，研究人員分離了根結(jié)線(xiàn)蟲(chóng)的取食器官—口針和食道腺,，并對(duì)這些結(jié)構(gòu)的直徑進(jìn)行了比較,。結(jié)果表明，只有直徑小于根結(jié)線(xiàn)蟲(chóng)口針的小囊泡具備被根結(jié)線(xiàn)蟲(chóng)取食的可能性（圖3H-I）,。隨后,，通過(guò)免疫電鏡和Western blot分析，我們進(jìn)一步證實(shí)了白色體的內(nèi)源蛋白和外源表達(dá)的GFP均可在根結(jié)線(xiàn)蟲(chóng)體內(nèi)檢測(cè)到（圖3J-K）。

圖3 根結(jié)線(xiàn)蟲(chóng)取食白色體的蛋白

基于以上的發(fā)現(xiàn),，研究人員設(shè)計(jì)了不同白色體介導(dǎo)表達(dá)Bt蛋白的策略,，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)根結(jié)線(xiàn)蟲(chóng)的防治。通過(guò)比較表達(dá)水平,，最終確定利用RecA1轉(zhuǎn)運(yùn)肽在白色體中表達(dá)Cry5Ba2蛋白的策略能過(guò)夠達(dá)到較高的表達(dá)水平,。研究人員隨即在煙草和番茄中應(yīng)用該策略進(jìn)行根結(jié)線(xiàn)蟲(chóng)的抗性評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示,，與細(xì)胞質(zhì)定位表達(dá)的Cry5Ba2蛋白達(dá)到相同水平的株系相比,，在根結(jié)數(shù)和卵塊數(shù)上抗性表現(xiàn)相當(dāng)。然而,，白色體定位表達(dá)Cry5Ba2蛋白的番茄株系中,，Bt蛋白被根結(jié)線(xiàn)蟲(chóng)雌蟲(chóng)的取食量更高，50天后的卵數(shù)更顯著的減少,。證明了通過(guò)白色體表達(dá)并遞送的殺線(xiàn)蟲(chóng)蛋白可以有效提升作物對(duì)根結(jié)線(xiàn)蟲(chóng)的抗性水平（圖4）,。這一發(fā)現(xiàn)也提出了一種有效防控根結(jié)線(xiàn)蟲(chóng)的新策略。

圖4 白色體表達(dá)并遞送殺線(xiàn)蟲(chóng)蛋白的示意圖

湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士研究生王勇為論文第一作者,，基因組所張江研究員和湖北大學(xué)張鳳娟副教授為共同通訊作者,。湖北大學(xué)王夢(mèng)楠、張雅麗,、彭龍威以及華中農(nóng)業(yè)大學(xué)代大東博士后為論文的共同作者,。德國(guó)馬普所Ralph Bock教授和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)孫明教授也對(duì)本研究前期提供了大力幫助。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金,，中國(guó)農(nóng)科院創(chuàng)新工程等項(xiàng)目的資助,。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.molp.2024.08.004