Caleosin同源蛋白EtCLO3通过激活植物内源防御系统增强抗虫性的分子机制研究

本研究针对植物抗虫防御机制的关键蛋白开展研究，发现大戟科植物Euphorbia tirucalli乳胶中的caleosin同源蛋白EtCLO3能显著抑制斜纹夜蛾(Spodoptera litura)幼虫生长。通过瞬时表达系统和转录组分析，揭示EtCLO3通过非过氧化物酶活性途径激活PR蛋白、半胱氨酸蛋白酶等防御相关基因表达，并改变糖代谢通路，为植物抗虫分子育种提供新靶点。

　　

（论文解读部分）

在植物与昆虫的长期协同进化过程中，植物发展出了包括乳胶系统在内的复杂防御机制。乳胶作为特化细胞的细胞质内含物，富含抗菌、抗虫化合物，但其具体作用机制仍有大量未解之谜。大戟科植物Euphorbia tirucalli的乳胶中积累的caleosin同源蛋白EtCLO3，因其在茎乳胶中的特异性高表达引起了研究者注意。caleosin作为脂滴主要蛋白，已知具有过氧化物酶活性并能与G蛋白α亚基互作，但其在抗虫防御中的具体功能尚未阐明。

研究人员通过农杆菌介导的瞬时表达系统，在本氏烟草(Nicotiana benthamiana)叶片中异源表达EtCLO3及其同源蛋白，以斜纹夜蛾(Spodoptera litura)幼虫为模型开展抗虫功能研究。实验发现EtCLO3能显著抑制幼虫生长，且该效应不依赖过氧化物酶催化位点(H74/H142)和EF-hand结构域(D79/E90)的保守氨基酸。转录组分析揭示EtCLO3可上调PR蛋白、半胱氨酸蛋白酶等防御相关基因，同时下调卡尔文循环相关基因表达。值得注意的是，拟南芥AtCLO3和橡胶树HbCLO1等H-亚型caleosin也表现出类似抗虫活性，而L-亚型如AtCLO5则无此功能。MEME分析发现H-亚型特有的N端motif可能参与抗虫功能调控。

关键技术包括：农杆菌介导的瞬时表达系统构建；斜纹夜蛾幼虫生长抑制实验；RNA-seq转录组测序与差异表达基因分析；MEME蛋白motif预测等。

【3.1 EtCLO3和两种H型caleosin在叶片中的表达延缓斜纹夜蛾幼虫生长】
通过农杆菌浸润法在本氏烟草叶片表达EtCLO3、AtCLO3和HbCLO1，饲喂实验显示三者均能显著降低幼虫体重（P<0.05），免疫印迹证实蛋白主要积累于水不溶组分。

【3.2 两种L型亚型未表现生长延缓效应】
L-亚型AtCLO5和HbCLO4a未显示显著抗虫活性，尽管二者均含有保守的过氧化物酶活性位点。

【3.3 两种低等植物和两种短柄草L型caleosin具有抗虫效应】
绿藻(Cre06.g273650_4542)和地钱(Mapoly0027s0099)的caleosin显著抑制幼虫生长，短柄草Bradi1g69571（含H-亚型特征motif）也表现弱效应。

【3.4 EtCLO3抗虫效应不依赖过氧化物酶活性位点】
H74V和H142V突变体保持完整抗虫活性，表明该功能独立于过氧化物酶催化活性。

【3.6 抗虫效应不依赖EF-hand结构域】
EF-hand突变体D79A和E90R仍具抗虫性，排除G蛋白α亚基互作通路的必要性。

【3.7 EtCLO3表达叶片呈现独特转录组特征】
RNA-seq分析发现EtCLO3特异性上调防御相关基因（如PR蛋白、WRKY转录因子），同时下调糖代谢通路基因。GO分析显示"生物应激响应"等条目显著富集。

该研究首次系统阐明caleosin蛋白通过非经典途径激活植物内源防御系统的分子机制，揭示N端H-亚型特征motif可能是决定抗虫功能的关键结构域。这不仅拓展了对植物乳胶防御系统的认知，更为作物抗虫分子设计提供了新策略——通过调控特定caleosin亚型的表达，既可避免直接毒性风险，又能激活广谱抗性。研究还提出有趣进化视角：低等植物中保守的caleosin抗虫功能，在高等植物L-亚型中可能发生功能分化。未来研究可聚焦N端结构域与防御信号通路的互作机制，以及不同caleosin亚型在组织特异性防御中的分工。论文发表于《Current Plant Biology》，为植物-昆虫互作领域提供了重要理论突破。