植物 - 共生体环境中，饮食调控植物寄生虫转录可塑性的研究及其意义

本文聚焦植物寄生虫，研究发现植物互利共生菌根真菌（AM 真菌）可改变寄主资源，间接诱导马铃薯胞囊线虫（Globodera pallida）转录反应。通过调节糖转运蛋白（Gp-SWEET3）表达等机制，线虫适应资源变化，该研究为理解植物寄生虫生存策略提供新视角。

　　

研究背景

植物寄生虫的生存和繁殖依赖从寄主获取资源，胞囊线虫（Globodera pallida）对马铃薯作物危害严重，可致高达 80% 的产量损失。它以休眠卵形式在土壤中存活多年，寄主植物出现时孵化，迁移至维管组织建立取食位点，依靠根内特殊取食结构 “合胞体” 获取营养完成生命周期。若取食受阻或食物质量下降，会影响线虫生长和繁殖。

植物与多种土壤生物相互作用，菌根真菌（AM 真菌）作为互利共生体，能改善作物性能，但与胞囊线虫共定殖时会增加其卵产量。这表明线虫食物组成改变，可能影响其营养摄取和繁殖。目前，虽已知植物寄生虫能产生多种酶分解寄主化合物，但对其消化产物吸收和利用机制了解甚少，且 AM 真菌对病原体取食调控的影响也未被深入探究。

糖类最终输出转运蛋白（SWEETs）在真核生物中广泛存在，植物 SWEETs 参与植物生长发育和病原体易感性过程，但在植物寄生虫和病原体中的研究较少。因此，探究植物寄生虫如何感知和响应寄主资源变化，以及 SWEETs 在其中的作用具有重要意义。

研究结果

1. AM 真菌影响G. pallida基因表达：研究人员利用分根实验，比较了感染 AM 真菌和未感染 AM 真菌的马铃薯根系上G. pallida的基因表达谱。结果显示，AM 真菌定殖导致G. pallida 398 个基因上调，184 个基因下调。这些差异表达基因涉及多种功能，如资源运输 / 消化、效应子、表皮 / 胶原蛋白修饰和神经肽信号等。
2. 鉴定出Gp-SWEET3基因：由于 AM 真菌定殖影响G. pallida资源摄取，研究人员筛选出与资源运动和消化相关的基因，发现跨膜己糖转运蛋白Gp-SWEET3在 AM 真菌定殖的寄主上表达上调 5.4 倍。同时，该基因的预测底物葡萄糖和果糖在寄生 AM 真菌定殖寄主的线虫中含量降低，表明底物减少时Gp-SWEET3上调。
3. Gp-SWEET3的表达特征：Gp-SWEET3在G. pallida取食阶段（7 - 21 dpi）和肠道中表达，且在所有研究的植物寄生线虫基因组中都存在其直系同源物，在系统发育上与典型的 18S 系统发育相似，并与线虫生命周期中的表达谱相关。
4. RNA 干扰（RNAi）验证Gp-SWEET3功能：通过 RNAi 技术降低Gp-SWEET3表达，发现 J2 期线虫在孵育 16 h 后基因表达降低，24 h 后降幅最大，7 d 后仍有敲低效应。接种到马铃薯根上 10 d 和 28 d 后，Gp-SWEET3敲低不影响线虫入侵，但显著降低线虫表面积，同时线虫内葡萄糖和果糖浓度增加。这表明Gp-SWEET3对维持线虫正常生长和利用肠道内己糖至关重要。
5. 确定Gp-HBL1为Gp-SWEET3的调节因子：通过分析秀丽隐杆线虫（C. elegans）相互作用组和转录组数据集，发现 HBL1 可能是调节SWEET3的转录因子。在G. pallida中，Gp-HBL1与Gp-SWEET3表达呈显著负相关，且在 AM 真菌定殖的马铃薯根中Gp-HBL1表达下调。Gp-HBL1也在G. pallida寄生阶段的肠道中表达，酵母单杂交实验证实其与Gp-SWEET3启动子中的 motif 1 结合。RNAi 实验表明，敲低Gp-HBL1导致Gp-SWEET3表达增加，同时影响其他与代谢和营养运输相关基因的表达，且敲低Gp-HBL1的线虫在 28 dpi 时体型更大。

研究讨论

1. 线虫对资源变化的响应机制：AM 真菌定殖导致寄主植物碳水化合物含量改变，G. pallida感知到己糖摄取减少，通过下调转录因子Gp-HBL1，进而上调肠道中的己糖膜转运蛋白Gp-SWEET3，以弥补己糖不足，这是植物病原体适应动态寄主质量、优化发育和繁殖的一种机制。
2. AM 真菌对G. pallida的多方面影响：AM 真菌与G. pallida竞争相同的己糖资源，导致线虫己糖摄入减少。同时，AM 真菌定殖影响G. pallida的分子过程，使 582 个线虫基因差异表达，涉及表皮 / 胶原蛋白修饰、资源修饰 / 运输等过程，可能影响线虫发育和繁殖。此外，AM 真菌增加G. pallida雌虫繁殖力，暗示碳水化合物摄入并非线虫产卵的限制因素，其他营养物质如磷和氮可能起更大作用。
3. *Gp-SWEET3和*Gp-HBL1的作用及调控**：Gp-SWEET3是线虫摄取和利用寄主己糖的关键基因，敲低该基因影响线虫生长，增加己糖积累。Gp-HBL1作为Gp-SWEET3的负调节因子，其调控机制可能与其他物种类似，但植物寄生线虫感知食物质量变化并启动分子响应的具体方式仍有待研究。
4. 研究的意义和展望：本研究表明植物寄生虫能通过转录机制响应寄主资源变化，这种能力在胞囊线虫中可能保守。针对植物寄生虫这种 “核心” 能力进行研究，有助于开发控制寄生虫的新策略，减少农业损失。未来需进一步明确食物质量感知的主要模式以及相关分子响应机制，深入了解影响线虫生长和繁殖的其他因素，为农业生产中的病虫害防治提供更有效的理论依据。

研究方法

1. 转录组分析：获取马铃薯根与G. pallida和 AM 真菌共生的 RNA 测序数据，将读数映射到G. pallida基因组，进行基因计数和差异表达分析，筛选出与资源运输或合成相关的差异表达基因，确定Gp-SWEET3为感兴趣基因。同时，在其他植物寄生线虫基因组中鉴定Gp-SWEET3的直系同源物，并构建系统发育树分析其进化关系和表达特征。
2. 植物和培养物的生长：种植马铃薯，制备G. pallida和 AM 真菌接种物。通过特定方法收集G. pallida的第二阶段幼虫（J2 期），并在控制条件下培养植物和线虫，用于后续实验。
3. 原位杂交：合成Gp-SWEET3和Gp-HBL1的单链地高辛标记反义 DNA 探针，进行原位杂交实验，确定这两个基因的空间表达模式。
4. 基因敲低（RNAi）：设计针对Gp-SWEET3和Gp-HBL1的小干扰 RNA（siRNA），孵育G. pallida J2 期线虫，通过 qRT-PCR 检测基因表达变化。将处理后的线虫接种到马铃薯根上，观察其对生长和发育的影响，并对敲低Gp-HBL1的线虫进行 RNA 测序，分析差异表达基因。
5. 葡萄糖和果糖的 HILIC Amide LC-MS 分析：收集线虫样本，进行超声辅助提取、离心、冻干和复溶处理，然后通过高效液相色谱 - 质谱联用技术（HILIC Amide LC-MS）测定葡萄糖和果糖含量。
6. 酵母单杂交：构建Gp-SWEET3启动子和Gp-HBL1的诱饵和猎物载体，转化酵母细胞，在特定培养基上培养，检测转录因子与启动子的相互作用。
7. 启动子分析：分析Gp-SWEET3启动子区域的潜在转录因子结合位点，确定 HBL1 结合基序的存在和分布，并在全基因组水平分析该基序在G. pallida基因启动子中的发生率，与Gp-HBL1 RNAi 分析结果关联。
8. 数据可视化：使用 OriginPro 进行绘图和统计分析，使用 IQ-TREE 构建系统发育树，直观展示研究结果。