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马铃薯根结线虫抗性防治药剂新思路

导读:

根结线虫(RKN,Meloidogyne spp.)是一种遍布范围的农业害虫,每年可造成数十亿美元的农业经济损失。其中,奇特伍德根结线虫(M. chitwoodi)是美国西北太平洋、欧洲、亚洲和非洲等马铃薯种植区的一种地方性根结线虫

根结线虫(RKN,Meloidogyne spp.)是一种遍布范围的农业害虫,每年可造成数十亿美元的农业经济损失。其中,奇特伍德根结线虫(M. chitwoodi)是美国西北太平洋、欧洲、亚洲和非洲等马铃薯种植区的一种地方性根结线虫,它可以侵染马铃薯块茎并在块茎表皮下形成褐色斑点和擦伤,从而影响马铃薯的产量和经济价值【1】。遗憾的是,目前商业化的马铃薯栽培种对这种线虫没有天然的遗传抗性,种植者不得不依靠昂贵的杀虫剂控制马铃薯田中的根结线虫,因此,对根结线虫新型防控方法的开发至关重要。

马铃薯根结线虫怎么防治

在所有防控措施中,使用合成或天然衍生的分子激活或增强植物免疫力是一种行之有效的方法。植物感受到来自机械损伤或者病原菌侵染造成的组织损伤后,会诱导损伤相关的分子模式(damage associated molecular patterns, DAMPs),比如植物激发子肽(Plant elicitor peptides, Peps)。在拟南芥和玉米等植物中的研究发现Peps预处理可以激发植物的局部和系统性防御反应【2】。在大豆中的研究则发现Peps预处理可以增强大豆种子对根结线虫的抗性,表明Peps可能在根结线虫的防治中发挥作用【3】。更为有趣的是,最近的一项研究还通过改造枯草芽孢杆菌(B. subtilis)以分泌线虫特异性肽【4】。上述研究均对根结线虫的生物防治有重要启示,但是目前尚未在马铃薯中研究Peps对根结线虫的防治作用及机制。

近日,美国华盛顿州立大学(Washington State University)Cynthia Gleason课题组在Nature Plants在线发表了一篇题为Enhancing potato resistance against root-knot nematodes using a plant-defence elicitor delivered by bacteria的研究论文,综合考虑植物防御激发子和细菌分泌线虫特异性肽两种理论,研究了细菌分泌Peps对马铃薯抗根结线虫能力的影响及其作用机制。

细菌分泌Peps对马铃薯抗根结线虫能力的影响及其作用机制

该研究发现,通过马铃薯激发子肽StPep1预处理根系不会影响根结线虫的穿透能力和初期定殖数量,但是减少了线虫造成的擦伤以及线虫卵量。此外,StPep1预处理也并未因为生长-防御权衡关系而影响根系及地上部生物量。这表明,StPep1预处理可以减少根结线虫对马铃薯造成的伤害,这种结果主要是因为植物抗性的提高而不是直接杀死线虫。该研究还通过改造枯草芽孢杆菌使其分泌His标记的StPep1(StPep1-His),并评估了其对马铃薯抗性的影响。结果表明,分泌StPep1的枯草芽孢杆菌预处理可以有效提高马铃薯植株对奇特伍德根结线虫的抗性,但不影响马铃薯根系和地上部生物量。这为马铃薯根结线虫的商业化防控提供了新思路。

该研究还对StPep1在马铃薯抗根结线虫过程中的作用方式进行了研究。基于拟南芥中Pep1受体的信号传导与激素信号有关,该研究测试了信号传导相关基因的表达模式,发现根系的基因表达无显著变化,但是StPep1显著诱导了马铃薯叶片中的相关基因表达,表明StPep1处理根系引起了系统性防御反应。进一步的转录组GO分析发现,与内肽酶抑制剂活性和转录因子活性相关的7个基因受到StPep1处理的显著上调,并可以作为StPep1诱导的标记基因。此外,这些标记基因也受到芽孢杆菌StPep1-His的显著上调。该研究还发现StPep1激发的信号传导需要茉莉酸受体的介导但与水杨酸信号无关。

马铃薯根结线虫防治研究

Overview of plant treatment with B. subtilis secreting the immunostimulant stPep1

总之,该研究表明StPep1处理马铃薯根系可以引起基因表达的局部和系统性响应,从而提高其对根结线虫感染的抗性。该研究还通过改良枯草芽孢杆菌使其分泌StPep1,从而可提高对根结线虫的抗性,这对马铃薯根结线虫的防治具有重要启示。

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参考文献

【1】European and Mediterranean Plant Protection Organization. Meloidogyne chitwoodi and Meloidogyne fallax. EPPO Bull. 39, 5–17 (2009).

【2】Huffaker, A. & Ryan, C. A. Endogenous peptide defense signals in Arabidopsis differentially amplify signaling for the innate immune response. Proc. Natl Acad. Sci. USA 104, 10732–10736 (2007).

【3】Lee, M. W . et al. Plant elicitor peptides promote plant defences against nematodes in soybean. Mol. Plant Pathol. 19, 858–869 (2018).

【4】Warnock, N. D. et al. Nematode neuropeptides as transgenic nematicides. PLoS Pathol. 13, e1006237 (2017).

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