病害三角（disease triangle）是描述疾病流行規律的理論，該理論指出“病害三要素”為致病病原生物、易感宿主和適合的環境條件三者相互作用才能引起侵染性病害。已知超過1480種植物病毒中，近80%由媒介昆蟲傳播，植物蟲傳病毒是制約我國農作物高產穩產的主要因素之一。以往作物病毒病害的研究注重於病毒和植物宿主兩個方面，而實際上參與病毒傳播、病害發生的因數還有傳毒媒介昆蟲以及光照、溫度、氣候、生物週期節律等環境因數。作為人類賴以生存的最重要生化反應，植物光合作用主要吸收紅光和藍紫光並存儲為化學能，最終為人類和其他動物提供必需的食物和能量。光作為主要的環境因數，不僅調控植物生長發育的每個環節，而且同病害的流行爆發緊密相關。然而光是如何影響植物抗病性，病原微生物又是如何適應宿主抗性機制從而促進自身的傳播等問題，尚亟待得到科學解答。
蕃茄黃化曲葉病毒引起北京地區常見的蕃茄病毒病
近日，中國科學院微生物所葉健課題組在PLoS Pathogens線上發表了題為Red-light is an environmental effector for mutualism between begomovirus and its vector whitefly的研究論文。該研究發現植物雙生病毒衛星DNA編碼的βC1蛋白可以通過靶向光訊號途徑的PIF轉錄因數家族調控的蟲媒病毒抗性，促進蟲媒病毒的快速傳播，揭示了光調節雙生病毒-烟粉虱-植物三者互惠共生的新機制。
本研究在前期工作的基礎上，進一步以雙生病毒中國蕃茄黃化曲葉病毒TYLCCNV與衛星DNA形成的侵染複合物為研究對象，發現雙生病毒衛星感病植物和對媒介昆蟲烟粉虱的吸引作用只有在光照條件下才會發生，而在黑暗條件下不會發生（圖1A和1B）。已有研究表明βC1是病毒編碼的關鍵决定因數，進一步利用單色光LED燈箱進行昆蟲雙選擇實驗，發現βC1轉基因植物只有在紅光和含有紅光的白光條件下發生，而在黑暗、遠紅光和藍光條件下沒有顯著差异（圖1C）。烟粉虱等大多數昆蟲的視覺系統缺乏紅光受體，是“紅色色盲”，所以這種光依賴的烟粉虱選擇行為改變主要是病毒感染植物後影響了昆蟲嗅覺識別植物。
圖1紅光促進βC1介導的烟粉虱取食植物偏好
（A）烟粉虱在光照下取食偏好雙生病毒感染植物。（B）光照和黑暗條件下健康植物和感病植物對烟粉虱的吸引作用。（C）不同單色光條件下對照和βC1過表達植物的烟粉虱雙選擇實驗。
當植物受到昆蟲取食後，會產生一系列的化學揮發物來調控昆蟲的行為來趨避食草昆蟲，其中萜烯類化合物（Terpenes）是植物揮發物中最豐富的一類化合物，研究報導部分倍半萜和單萜會趨避昆蟲。該研究通過酵母雙雜交篩選實驗鑒定到光訊號中的關鍵蛋白光敏色素互作蛋白（PHYTOCHROME-INTERACTING FACTOR 3，PIF3）可以與βC1蛋白互作，進一步Co-IP實驗證明PIF3與βC1在光照和黑暗條件下均可以在植物體內互作（圖2A）。PIFs蛋白可以直接結合萜烯合酶（Terpene synthase，TPS）基因的啟動子促進其轉錄（圖2B和2C），囙此在PIF過表達的植物中，介體昆蟲烟粉虱的產卵量减少、偽蛹發育緩慢（圖2D和2E），說明PIFs蛋白具有直接的抗蟲作用。通過競爭性BiFC和pull-down實驗發現βC1蛋白可以通過干擾PIF蛋白二聚體的形成不同程度的抑制其轉錄啟動活性（圖2C）。
圖2 PIF蛋白結合TPS10發揮抗蟲作用
（A）Co-IP實驗AtPIF3與βC1在光照和黑暗條件下的互作。（B）圖C中使用的效應蛋白和報導基因的載體示意圖構建體。（C）螢光素酶實驗驗證AtPIFs對TPS10的轉錄啟動作用，以及加入βC1蛋白後對AtPIFs轉錄啟動活性的影響。（D-E）烟粉虱的生測實驗：Col-0和AtPIF3-OE植物上烟粉虱產卵量（D）和偽蛹數（E）的統計。
植物激素茉莉酸（jasmonic acid，JA）是一種介導植物抗蟲的重要激素，轉錄因數MYCs是JA途徑中的關鍵調控因數。MYC家族轉錄因數調控下游多種抗蟲相關次生代謝物質的合成代謝相關基因，包括TPS基因。該課題組早期研究發現雙生病毒βC1可以靶標MYC2，通過干擾其二聚體的形成抑制MYC2-介導植物抗蟲反應，與其媒介昆蟲烟粉虱形成的互惠共生關係（Li et al. Plant Cell 2014）。PIF蛋白參與植物多個訊號通路以參與發育過程以及不同的脅迫響應，包括光和JA途徑。研究報導AtPIF4與AtMYC2相互作用，該研究還發現AtPIFs-AtMYC2的互作在一定程度上抑制了TPS基因的表達，而βC1可以促進AtPIF4-AtMYC2异源二聚體的互作進而進一步抑制TPS的表達，促進昆蟲的取食。結合以上研究結果該論文提出以下工作模型：在健康植物中，PIFs和MYC2形成同源二聚體，結合在TPS基因啟動子的不同區域，共同調節TPS基因表達，從而趨避烟粉虱；當植物受到雙生病毒感染後，βC1一方面可以抑制PIFs或MYC2同源二聚體的形成，一方面又可以促進PIF- MYC2异源二聚體的形成，最終抑制了植物對烟粉虱的抗性反應，促進烟粉虱的取食，促進病毒的傳播與擴散。本研究解析了光和JA訊號共同調節病毒-昆蟲-植物三者互作的新機制，為防控蟲媒病害提供新的靶點，也為實現利用單色LED燈綠色防控雙生病毒病害提供理論依據。
圖3紅光調控雙生病毒-烟粉虱-植物三者互惠共生的模式圖
該文章由葉健課題組的副研究員趙平芝、助理研究員張璿和已畢業碩士研究生龔雨晴為共同第一作者，課題組王端、王寧、孫豔偉、高連博為文章的共同作者。值得一提的是，該研究得到了方榮祥院士、北京大學鄧興旺院士、美國加州大學大衛斯分校Daniel J. Kliebenstein教授、中國農業科學院植物保護研究所周雪平教授、南京農業大學教授許冬清、浙江大學劉樹生教授的大力支持，也為該文的共同作者，葉健研究員為通訊作者。感謝清華大學陳浩東教授和中國農業大學李繼剛教授提供了寶貴的抗體資料。該研究受到國家自然科學基金重點專案、國家重點研究和發展計畫生物安全專項、國家優青等項目的支持。
論文連結：https://journals.plos.org/plospathogens/article？id=10.1371/journal.ppat.1008770