植物-昆虫攻防互作研究组(毛颖波)
研究组长:毛颖波 研究员
毛颖波,博士,研究员,博士生导师。1997年毕业于厦门大学生物系,获学士学位;2000-2006年就读于中国科学院上海生命科学研究院并获博士学位。2007年至今就职于中国科学院分子植物科学卓越创新中心,从事植物昆虫防御互作的分子机制研究,包括:次生代谢物在植物-昆虫协同演化中的作用,昆虫效应子作用机理,抗虫激素茉莉素(JA)信号的诱发与调控,植物介导的昆虫RNA干扰(RNA interference,RNAi)抗虫新技术等。获2009年中科院优秀博士论文奖,2010年全国优秀博士论文奖,2017年上海市自然科学一等奖。在Nature Biotechnology, Nature Communications,PNAS, Molecular Ecology等学术期刊上发表多篇研究性论文。
主要研究方向及内容
研究方向:植物昆虫防御互作
研究内容:植物和昆虫是地球上多样性最为丰富的物种,两者的相互作用是物种多样性进化的主要动力。植物能够感知昆虫取食产生的相关分子模式(herbivoreassociatedmolecularpattern,HAMPs)并激活植物防御激素信号途径。昆虫口器分泌物中含有丰富的信号分子,可以促进或者干扰植物的防御反应,是植物与昆虫互作识别的分子基础。植物如何识别昆虫激发子;植物极早期防御响应如膜电势变化和钙信号如何进一步整合到防御激素途径;昆虫效应子的作用机理和传播机制等是植物昆虫互作研究领域的难点和热点。实验室以草地贪夜蛾(Spodoptera frugiperda),绿盲蝽(Apolygus lucorum)和棉铃虫(Helicoverpa armigera)为研究对象,开展其对宿主植物防御互作的研究。包括:1)植物昆虫防御识别的分子机制及应用研究;2) 植物抗虫的早期响应及调控;3)广食性昆虫对宿主植物适应性及偏好性研究。
研究队伍:
工作人员:王牧阳 高级工程师
研究生:陈芳艳,陈春雨,王丹丹,陈雪莹,陈秋逸,牟雨沛,闫紫薇
毕业研究生:刘尧倩(博士),宋维萌(博士)
已出站博士后:陈殿阳
研究进展:
1)棉铃虫效应子HARP1干扰植物防御响应的研究
昆虫口器分泌物中含有丰富的信号分子,可以促进或者干扰植物的防御反应,是植物与昆虫互作识别的分子基础。目前对于昆虫效应子的研究大多集中在刺吸式昆虫,而对咀嚼昆虫效应子的研究非常有限。此外,昆虫效应子在寄主植物中的作用靶点及作用机制尚不清楚。
咀嚼式昆虫棉铃虫是一种主要的农业害虫,严重危害多种作物产量。我们在棉铃虫口器分泌物中分离得到一个效应子HARP1。HARP1可以与拟南芥、棉花等多种植物中茉莉素(JA)信号的核心组分JAZ阻遏蛋白互作,通过与COI1蛋白竞争性结合JAZ从而稳定JAZ的蛋白水平,抑制JA防御信号途径。研究还发现HARP1类蛋白在鳞翅目昆虫中广泛存在并在夜蛾科昆虫中较为保守,有助于昆虫在共同进化过程中适应寄主植物 (Chen et al., PNAS, 2019)。昆虫效应子对植物昆虫共进化具有重要的理论意义,对农业害虫的早期干预,控制虫害减少损失具有重要的指导意义。同时利用昆虫效应子能够在没有外力的作用下,从损伤细胞进入完整细胞内并行驶功能这一特性,可开发新型的植物活性分子运输系统,具有一定的应用价值。
棉铃虫口器分泌型效应子HARP1干扰植物防御的示意图。
2)植物抗虫能力及防御信号时序性调控的分子机制研究
植物的生长和防御途径之间存在制衡,此消彼长。已知免疫衰老在动物界普遍存在,即动物在一生中免疫反应经历了由旺盛到衰退的过程。植物的抗虫能力是否受到生长发育的影响?
茉莉素是植物抵御昆虫取食的重要激素。我们发现,在模式植物拟南芥成长过程中,茉莉素信号由强变弱,但抗虫性却由弱变强。进一步研究发现微小核酸miR156影响植物中的茉莉素信号输出和抗虫反应。已知miR156靶向的SPL是控制植物从幼年期向成年期过渡的关键因子。随着植物的生长miR156水平降低,SPL含量逐渐升高,促进植物进入生殖生长期,开花结果。我们发现,SPL能够与JA途径信号的多个JAZ蛋白结合,阻碍JAZ的泛素化降解,导致JA信号与抗虫反应衰减。同时,具有抗虫作用的次生代谢化合物(如芥子糖苷)却随着植物的生长而积累,不断充实植物的组成性抗虫能力(Mao et al., Nat Commun, 2017)。
植物抗虫性和防御响应时序性调控示意图
3)棉花主要害虫绿盲蝽转录组特征及其与棉铃虫和棉蚜的比较分析。
对绿盲蝽(Apolygus lucorum) 3个不同发育期的转录组测序, 获得了98236条绿盲蝽单基因簇(unigenes),其中50640条获得了功能注释。将其与棉铃虫(Helicoverpa armigera)和棉蚜(Aphis gossypii)的转录组做比较分析,发现昆虫消化酶的丰富度与其取食方式密切相关,是植物-昆虫长期演化的结果。得到多个在五龄若虫到成虫发育过程中转录水平变化显著的基因(Chen et al., Science China Life Sciences, 2017)。研究结果为深入研究盲蝽类害虫的生理和发育,进而设计防治新策略提供了宝贵的数据。
4)建立与优化RNA干扰抗虫技术
前期工作开发了一种利用RNA干扰机制、以植物作为载体来抑制昆虫生长的方法(Mao et al., Nat Biotech, 2007)。在棉花中表达与棉酚耐受性相关棉铃虫P450基因(CYP6AE14)的dsRNA,提高了棉花对棉铃虫的抗性(Mao et al., Transgenic Res, 2011)。同时,我们利用植物半胱氨酸蛋白酶和dsRNA共表达,提高了植物介导的RNA干扰效率(Mao et al., Plant Mol Biol, 2013)。这些工作为开发更有效和更安全的转基因抗虫植物提供了新思路,同时也为研究昆虫基因的生物学功能提供了简便的分析方法。目前正进一步开展相关应用研究,申请并授权了多项国内外专利。非编码RNA(ncRNA)在植物与病原菌互作中发挥重要的功能。我们的工作说明植物表达的dsRNA,可以作用于昆虫的靶基因,暗示了ncRNA可能在植物对昆虫的防御中起重要作用,具有重要的理论意义。同时该研究具有原创性和自主产权,为开发新一代抗虫作物提供指导。
植物介导的昆虫RNA干扰示意图
代表性论文及专利:
1. Chen CY, Mao YB*(2020) Research advances in plant–insect molecular interaction, F1000Research, 9(198): 1-11.
2. Chen CY#, Liu YQ#,Song WM, Chen DY, Chen FY, Chen XY, Chen, ZW, Ge SX; Wang CZ; Zhan S, Chen XY, Mao YB*(2019) An effector from cotton bollworm oral secretion impairs host plant defense signaling , Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 116(28): 14331-14338.
3. Chen FY, Chen XY, Mao YB*(2019) Heterogeneous signals in plant-biotic interactions and their applications , SCIENCE CHINA-LIFE SCIENCES, 62(12): 1707-1709.
4. Chen XY, Wang DD, Chen FY, Chen XY, Mao YB*(2019)Plant Specialized Metabolism Regulated by Jasmonate Signaling, Plant Cell Physiol, 60(12): 2638-2647.
5. Chen DY, Chen FY, Chen CY, Chen XY*, Mao YB* (2017)Transcriptome analysis of three cotton pests reveals features of gene expressions in the mesophyll feeder Apolygus lucorum , Science China Life Sciences, 60(8): 826-838.
6. Mao YB, Liu YQ, Chen DY, Chen FY, Fang X, Hong GJ, Wang LJ, Wang JW, Chen XY*(2017) Jasmonate response decay and defense metabolite accumulation contributes to age-regulated dynamicsof plant insect resistance, Nature Communications, 8: 13925-13937.
7. Mao YB, Cai WJ, Wang JW, Hong GJ, Tao XY, Wang L J, Huang Y P, Chen XY* (2017) Silencing a cotton bollworm P450 monooxygenase gene by plant-mediated RNAi impairs larval tolerance of gossypol, Nature Biotechnology, 25(11): 1307-1313.
8. Mao YB*,Tao XY, Xue XY, Wang LJ, Chen XY(2011)Cotton plants expressing CYP6AE14 double-stranded RNA show enhanced resistance to bollworms, Transgenic Research, 20(3): 665-673.
9. Tao XY, Xue XY, Huang YP, Chen XY, Mao YB* (2012)Gossypol-enhanced P450 gene pool contributes to cotton bollworm tolerance to a pyrethroid insecticide, Molecular Ecology, 21(17): 4371-4385.
10. Mao YB; Xue XY, Tao XY, Yang CQ, Wang LJ, Chen XY*(2013)Cysteine protease enhances plant-mediated bollworm RNA interference , Plant Molecular Biology, 83(1-2): 119-129.
11. 毛颖波; 陈春雨; 陈芳艳; 刘尧倩; 王牧阳; 王凌健; 陈晓亚; HARP1类多肽介导的细胞内转运及其在调节植物防御机制中的应用, 2019-6-27, 中国, 201910569786.1
12. 陈晓亚; 武秀明; 毛颖波; 杨长青; 王凌健; Method for improving plant resistance to insects, 2018-12-18, 美国, (美国)US10,155,958B2.
13. 陈晓亚; 毛颖波; 林芝萍; 王凌健; Method for modifying insect resistance of plants by utilizing RNAi technique, 2014-11-25, 美国, (美国) 8,895,805.
14. 陈晓亚; 毛颖波; 薛学义; 林芝萍; 王凌健; 利用半胱氨酸蛋白酶增强植物介导的昆虫RNA干扰, 2011-3-11, 中国, ZL201110059536.7.