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王彩云教授课题组首次揭示美丽除虫菊防御害虫的新机制

核心提示: 近日,我校“双一流”园艺学科园艺植物生物学教育部重点实验室王彩云教授课题组在New phytologist杂志上在线发表题目为“Defense of pyrethrum flowers: Repelling herbivore and recruiting carnivore by producing aphid alarm pheromone”(蚜虫报警素介导的除虫菊花儿驱避草食昆虫,招募捕食性昆虫的防御机制)的研究。

南湖新闻网讯(通讯员李进进)早在上世纪80年代初,科学家在其它植物的叶片中发现了E-beta法尼烯报警信息素,并猜测它能自然驱避蚜虫,并吸引捕食性昆虫天敌。但这一假说只在转基因模式植物中得到验证,至今仍缺乏有效的田间证据。除虫菊以其花头产生天然除虫菊酯而著称,成为世界上唯一集约化种植的植物源杀虫剂植物。王彩云课题组通过长达十几年的研究,发现我国云南红河、玉溪等地区规模化种植的田间除虫菊(Tanacetumcinerariifolium,pyrethrum)每年2-3月份除虫菊进入初花期,在没有食物源蚜虫的情况下,花头能吸引大量的瓢虫造访。同时,当地农户习惯将除虫菊套种在果园和菜园里,认为这种套作方式可减少农作物或果蔬上的害虫,降低农药的使用量(图1)。这一现象很难用深藏于花发育后期子房和瘦果的非挥发性除虫菊酯解释。

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图1 除虫菊与其他农作物套种及除虫菊花头的瓢虫

我们研究发现,除虫菊初花期花头高量释放的挥发性蚜虫报警信息素E-beta-法尼烯(E-beta-farnesene,EbF)与其吸引瓢虫密切相关。EbF在其初花期的花托和花梗部位特异性地高量表达并合成,组织染色发现其只在靠近维管束的皮层细胞特异性积累。同步比较观测还发现,其他菊科植物如菊花的幼嫩花梗和花托也是最易受蚜虫侵害的部位。随着除虫菊花朵的开放,高量储存的EbF从花头释放到环境中,一方面报警蚜虫,使其远离除虫菊;另一方面吸引蚜虫天敌瓢虫,充当初花期花头防御虫害的“护花使者”。这一特征具有模拟蚜虫报警的现象,蚜虫体内EbF是受到攻击后由腹管释放的报警信号分子,具有警示同伴尽快停止取食、躲避危险的作用;同时,蚜虫天敌如瓢虫很可能截获了这个信号进行食物源定位。我们的研究还表明,一旦有蚜虫识破这一“骗局”来取食除虫菊,蚜虫口器在刺探过程中将少量摄取花儿皮层细胞储存的EbF并从蚜虫蜜露中释放出来,蜜露中的EbF又进一步对蚜虫起到“假报警”(falsealarm)的效果,使其离开取食点(图2)。

除虫菊、蚜虫与瓢虫三者之间的分子生态关系构成了一个非常复杂的化学模拟防御系统,是生物间长期进化与适应的结果。除虫菊花头高量较纯的E-beta-法尼烯的合成、储藏与释放规律的研究,不仅更新了以往其它植物主要在营养器官、诱导条件下植物与昆虫互作的研究报道,而且为非挥发性除虫菊酯途径难以解释的“瓢虫现象”与“套种模式”提供更有力的理论支撑。这一研究不仅阐述了除虫菊直接与间接的双重防御机理,也开拓了我们利用除虫菊天然抗虫特性进行生物防治的新思路。同时,这一研究也具有探究新型复合产业种植模式的环保意义。

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图2除虫菊EbF合成和储存部位及其蚜虫行为研究

我校园艺林学学院博士研究生李进进和荷兰瓦赫宁根大学的杨司马.马丁博士(Dr.MaartenJongsma)为该论文的共同第一作者,王彩云教授和杨司马.马丁博士为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金(Nos. 31572163和31372103)、中国博士后科学基金(2018M640720) 和 华中农业大学自主创新项目(No. 2662019FW016)的支持。

审核人 王彩云

责任编辑:丁玲
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