糖转运蛋白SWEET11的组织特异性调控介导马铃薯对潜叶蛾攻击的协同抗性与耐受性反应

《SCIENCE ADVANCES》：Tissue-specific regulation of a sugar transporter mediates both resistance and tolerance responses to attack from a leafminer in potato

植物如何协调抗性与耐受性两种主要防御策略以应对植食性昆虫攻击，是当前植物生态学领域的核心问题之一。本研究聚焦于马铃薯应对专性潜叶蛾（Phthorimaea operculella）侵害的防御机制，揭示了糖转运蛋白SWEET11通过组织特异性调控，在受攻击的成熟叶片中抑制糖外运、增强抗性，同时在未受攻击的幼嫩叶片中促进糖输入、实现补偿生长以达成耐受性的双重作用。该研究阐明了糖信号与茉莉酸（JA）信号通路通过SnRK1α（StubSNF1）调控草食动物易感性因子MCPI1a/b的分子互作新机制，为理解植物防御策略的协同调控提供了重要理论框架。研究成果发表于《Science Advances》。

　　

在自然界漫长的协同进化过程中，植物发展出了多种多样的策略来应对植食性昆虫的取食。其中，抗性（resistance）和耐受性（tolerance）是两种最主要的防御策略。抗性是指植物通过物理结构（如刺、厚角质层）或化学物质（如单宁、生物碱）来直接减少植食者造成的伤害；而耐受性则是指植物在遭受伤害后，通过再生或资源重新分配等方式来弥补损失、维持其适合度的能力。尽管这两种策略对植物的生存都至关重要，但植物如何在个体水平上协调这两种策略，长期以来一直是生态学和植物生物学领域一个悬而未决的问题。

马铃薯作为一种重要的粮食作物，常常受到一种名为马铃薯块茎蛾（Phthorimaea operculella）的专性潜叶蛾的危害。这种昆虫的幼虫阶段完全在单片马铃薯叶片内部完成，形成独特的“潜道”。有趣的是，尽管这种害虫会造成明显的叶片损伤，却很少导致马铃薯产量的显著下降，这暗示马铃薯可能对它的攻击具有高度的耐受性。为了探究马铃薯应对潜叶蛾攻击的精细调控机制，一个研究团队在《Science Advances》上发表了他们的最新研究成果。

研究人员首先观察到，马铃薯对潜叶蛾的攻击表现出组织特异性的防御反应。当成熟叶片（源叶）遭受攻击时，植物会迅速在未受攻击的系统性幼嫩叶片（库叶）中诱导补偿性生长，从而实现对虫害的耐受；与此同时，在受攻击的叶片本身则诱导出抗性反应。这种空间上分离的防御策略提示，植物内部可能存在一种协调资源分配的信号系统。

通过稳定同位素¹³C标记示踪技术，研究团队证实，虫害激发确实会导致糖类物质从受攻击的成熟叶片向系统性幼嫩叶片重新分配。在分子层面，RNA测序分析发现，一个关键的糖转运蛋白——SWEET11的表达受到组织特异性的调控：在受攻击的成熟叶片中，SWEET11的表达被快速下调；而在系统性幼嫩叶片中，其表达则被上调。

为了验证SWEET11的功能，研究人员构建了SWEET11基因敲低和过表达的转基因马铃薯植株。实验结果表明，在SWEET11敲低植株中，虫害激发无法诱导幼嫩叶片的补偿性生长，并且最终导致地上部分和块茎生物量的损失，说明SWEET11介导的糖输入对于耐受性至关重要。相反，在成熟叶片中，SWEET11的敲低本身即导致糖外运受阻，细胞内糖分积累，并显著增强了植株对潜叶蛾的抗性（表现为幼虫生物量减少、发育期延长、存活率下降）。

那么，SWEET11介导的糖分积累是如何增强抗性的呢？研究人员发现，积累的糖分（如蔗糖）不仅可能作为能源和防御物质合成的底物，更扮演着信号分子的角色。虫害激发会迅速提高受攻击叶片中的海藻糖-6-磷酸水平，并抑制糖传感器SNF1相关蛋白激酶1（SnRK1α，在马铃薯中为StubSNF1）的蛋白水平。进一步的研究显示，StubSNF1本身负向调控植物的抗虫性，因为StubSNF1敲低植株表现出更强的抗性，而过表达植株则更易感。

通过酵母双杂交筛选，研究人员发现StubSNF1与两个金属羧肽酶抑制剂（MCPI1a和MCPI1b）发生相互作用。这两个蛋白此前已被鉴定为草食动物易感性因子。研究表明，StubSNF1能够稳定MCPI1a和MCPI1b蛋白。在虫害攻击下，茉莉酸信号通路会上调MCPI1a/b的转录水平；然而，同时被激活的糖信号通路（通过抑制StubSNF1）则促进了MCPI1a/b蛋白的降解。这种“一正一负”的精细调控，最终使得植物在遭受攻击时能够有效清除易感性因子，从而增强JA介导的抗性。在StubSNF1过表达植株中，JA处理所诱导的抗性增强效应被显著削弱，这证实了糖信号与JA信号在调控抗性方面存在交互作用。

为开展此项研究，研究人员综合运用了多种关键技术方法。研究以马铃薯栽培种E3为材料，通过农杆菌介导的遗传转化获得了SWEET11、StubSNF1、MCPI1a/b等一系列基因敲低和过表达的转基因株系。表型分析包括对潜叶蛾进行生物测定以评估抗性，以及测量叶片面积和生物量以评估耐受性（补偿生长）。利用稳定同位素¹³C标记示踪技术分析了虫害激发后的糖分再分配。分子机制探索方面，采用了RNA测序、定量逆转录PCR、原位杂交、免疫印迹、酵母双杂交、免疫共沉淀、GST Pull-down、双分子荧光互补等技术分析了基因表达、蛋白互作和定位。此外，还利用液相色谱-质谱联用技术精确测定了植物激素（JA、JA-Ile）和糖相关代谢物（海藻糖-6-磷酸）的含量。

马铃薯植株对P. operculella伤害表现出组织特异性反应

研究人员发现，P. operculella幼虫在马铃薯叶片内完成发育。虫害攻击能迅速诱导系统性幼嫩叶片在9天后出现补偿性生长，但在45天后并不影响地上部分和块茎的生物量。模拟虫害激发处理也能在系统性幼嫩叶片中诱导补偿生长，但同时抑制了根系生长。此外，模拟虫害激发处理仅在受处理的成熟叶片中诱导了抗性（减少叶片损伤和幼虫生长），而在系统性成熟叶片和幼嫩叶片中则无此效应。茉莉酸（JA）和JA-Ile的水平在不同叶片类型中均一致升高。这表明马铃薯通过组织特异性反应来协调P. operculella伤害：在系统性幼嫩叶片中补偿生长，在受攻击成熟叶片中诱导抗性。

糖转运参与组织特异性防御反应

¹³C标记实验表明，模拟虫害激发处理增加了向系统性幼嫩叶片的糖输入，同时抑制了受激发成熟叶片的糖输出，并相应地改变了这些组织的碳水化合物含量。RNA测序发现，SWEET糖转运蛋白基因在受激发成熟叶片中下调，在系统性幼嫩叶片中上调。其中，SWEET11在两个组织中均优势表达，定位于细胞膜，并具有蔗糖转运功能。推测SWEET11参与马铃薯应对潜叶蛾伤害时成熟叶片的糖外运和幼嫩叶片的糖输入。

SWEET11介导库叶的糖输入和补偿作用

在系统性幼嫩叶片中，模拟虫害激发处理诱导了SWEET11转录本积累。在SWEET11敲低植株中，该诱导效应消失，且糖向幼嫩叶片的输入不再增加。更重要的是，潜叶蛾伤害在野生型植株中诱导了系统性幼嫩叶片的补偿生长，但在SWEET11敲低植株中则无法诱导，并最终导致地上部分和块茎生物量损失。这表明SWEET11介导了潜叶蛾取食后系统性幼嫩叶片的补偿生长。

SWEET11调控源叶的糖外运和抗性

在受激发的成熟叶片中，SWEET11转录本快速下调。在SWEET11敲低植株的成熟叶片中，SWEET11组成型抑制，糖外运持续受阻，且模拟虫害激发处理不再进一步抑制糖外运。取食SWEET11敲低植株的潜叶蛾幼虫生物量减少、发育时间延长、存活率下降，造成的叶片损伤也减少。这表明抑制SWEET11能增强成熟叶片的抗虫性。

SWEET11介导的糖积累增强受攻击叶片的抗虫性

SWEET11介导了模拟虫害激发处理后成熟叶片中碳水化合物（淀粉和可溶性糖）含量的显著增加。通过茎秆饲喂法外源补充蔗糖或己糖至成熟叶片，能降低幼虫表现。 across 24个马铃薯品种，叶片蔗糖水平与幼虫生物量呈负相关。这表明SWEET11介导的糖积累增强了抗虫性，且糖本身可能作为信号分子起作用。

糖通过StubSNF1增强受攻击叶片的抗虫性

模拟虫害激发、高强度取食或蔗糖补充均能提高野生型植株成熟叶片中的海藻糖-6-磷酸水平，并抑制StubSNF1蛋白水平。在SWEET11敲低植株中，海藻糖-6-磷酸水平组成型升高，StubSNF1蛋白水平组成型抑制。StubSNF1敲低增强了抗虫性（幼虫生物量减少，叶片损伤减轻），而其过表达则增加了易感性（幼虫生物量增加，发育加速，叶片损伤加重）。外源蔗糖在StubSNF1敲低叶片中不再能降低幼虫表现。这表明糖主要通过StubSNF1增强抗虫性。

StubSNF1调控两个草食动物易感性因子MCPI1a和MCPI1b

酵母双杂交、免疫共沉淀、双分子荧光互补和GST Pull-down实验证实StubSNF1与MCPI1a和MCPI1b在体内外均存在相互作用。过表达MCPI1a或MCPI1b均增加了马铃薯对潜叶蛾的易感性。在本氏烟叶片中共表达StubSNF1能提高MCPI1a-Myc和MCPI1b-Myc的蛋白水平，而蛋白酶体抑制剂MG132处理可消除此效应。细胞体外降解实验表明，MCPI1a/b蛋白在StubSNF1敲低植株叶片蛋白提取物中降解更快。这表明StubSNF1能稳定MCPI1a和MCPI1b蛋白。

JA诱导受攻击叶片中MCPI1a/1b转录本积累

在野生型植株中，模拟虫害激发处理快速提高了成熟叶片中的JA水平，并诱导了MCPI1a和MCPI1b转录本的积累。在JA生物合成缺陷植株中，此诱导效应消失，而外源施加茉莉酸甲酯可恢复该诱导。这表明JA信号诱导了虫害激发叶片中MCPI1a和MCPI1b转录本的积累。

糖信号通过降解MCPI1a/1b增强JA介导的抗性

在野生型植株中，模拟虫害激发处理并未增加而是降低了MCPI1a和MCPI1b的蛋白水平。在糖信号放大的SWEET11敲低和StubSNF1敲低植株中，MCPI1a/b蛋白水平组成型降低，且虫害激发不再进一步降低其水平。在StubSNF1过表达植株中，模拟虫害激发处理导致MCPI1a/b蛋白积累。此外，StubSNF1过表达显著削弱了茉莉酸甲酯对幼虫表现的抑制作用。这些结果表明，虫害诱导的糖信号通过降解MCPI1a/b来增强JA介导的抗性，而StubSNF1削弱了JA介导的抗虫性。

该研究揭示了一个精巧的模型：当马铃薯成熟叶片遭受潜叶蛾攻击时，植株通过组织特异性调控SWEET11，协调了两种不同的防御策略。在受攻击的源叶中，SWEET11被快速抑制，减少糖分外流，导致细胞内糖分积累。这既可能为防御反应提供能量，又激活了糖信号通路（通过提高Tre6P、抑制StubSNF1），进而促进JA诱导的易感性因子MCPI1a/b的降解，从而增强局部抗性。与此同时，在未受攻击的系统性库叶中，SWEET11被上调，促进糖分输入，直接驱动补偿生长，实现整体耐受性。这项工作首次阐明了同一个糖转运蛋白如何通过其在源库器官中的差异性调控，协同调控植物的抗性和耐受性这两种关键防御策略。它揭示了糖信号与JA信号通路在抗虫防御中的新型互作机制，强调了源-库关系在植物应对生物胁迫中的核心地位。这一发现不仅深化了对植物-昆虫互作机制的理解，也为未来设计协同提升作物抗虫性和耐受性的育种策略提供了新的分子靶点和理论依据。