東北地理所在線蟲響應(yīng)化學(xué)信號(hào)調(diào)控機(jī)制方面取得重要進(jìn)展
大豆孢囊線蟲（Heterodera glycines）病是制約大豆產(chǎn)量的重要病害之一，全球每年因大豆孢囊線蟲病造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)十億美元。該病害在所有大豆種植區(qū)均有發(fā)生，包括鹽堿區(qū)種植的大豆。線蟲在土壤中能夠識(shí)別植物根系及其釋放的化學(xué)信號(hào)而定位寄主進(jìn)行有效侵染，通過線蟲對(duì)寄主和環(huán)境信號(hào)識(shí)別及響應(yīng)的調(diào)控機(jī)制研究，可以有效切斷寄主吸引線蟲的信號(hào)，為研發(fā)安全高效的線蟲防控策略提供依據(jù)。
東北地理所農(nóng)田有害生物控制學(xué)科組研究人員在前期工作中明確了大豆孢囊線蟲對(duì)酸性pH、堿性pH、鹽和氨基酸的趨化性及其高度適應(yīng)性（Hua 等，2020，Plant and Soil；Jiang 等，2022，Nematology），然而大豆孢囊線蟲在適應(yīng)酸堿鹽環(huán)境過程中的行為變化及其分子調(diào)控機(jī)制尚不清楚。基于此，該團(tuán)隊(duì)在植物寄生線蟲上率先利用WormLab行為學(xué)追蹤分析技術(shù)和三代全長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)（Oxford Nanopore Technology, ONT），開展了大豆孢囊線蟲響應(yīng)酸堿鹽信號(hào)的調(diào)控機(jī)制研究。
WormLab系統(tǒng)可實(shí)時(shí)追蹤定量分析線蟲行為，精準(zhǔn)捕捉微小動(dòng)物行為變化。該研究通過大豆孢囊線蟲二齡幼蟲對(duì)極端pH和適宜的趨化酸性和堿性pH、NaCl鹽溶液脅迫下的行為學(xué)分析，表明線蟲對(duì)不同非生物環(huán)境的行為學(xué)響應(yīng)存在差異（圖1）。進(jìn)一步對(duì)經(jīng)pH和NaCl溶液處理后的18個(gè)線蟲樣本進(jìn)行三代全長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析，以期從轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后修飾水平解析線蟲響應(yīng)外界信號(hào)的調(diào)控機(jī)理，結(jié)果鑒定得到3,972個(gè)新基因和29,529個(gè)新轉(zhuǎn)錄本。轉(zhuǎn)錄本結(jié)構(gòu)分析表明：可變剪接（AS）、可變多聚腺苷酸化（APA）、融合轉(zhuǎn)錄本等結(jié)構(gòu)與對(duì)照相比發(fā)生了顯著的變化，說明這些轉(zhuǎn)錄后修飾參與了線蟲行為的調(diào)控。通過對(duì)差異表達(dá)基因GO（基因本體論）和KEGG（京都基因與基因組百科全書）富集分析，結(jié)果表明跨膜受體、離子通道和鈣離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白相關(guān)的信號(hào)通路被激活，核糖體和氧化磷酸化代謝途徑被抑制（圖2）。被激活的跨膜受體中至少有6種是G蛋白偶聯(lián)受體GPCR，包括化學(xué)受體SRSX、Wnt受體MOM-5、多巴胺受體F59.D12.1、肽類受體NPR-18、毒蕈堿型乙酰膽堿受體mAChR和促甲狀腺素釋放激素受體TRHR，其他受體包括煙堿型乙酰膽堿受體nAChR、GABAB（γ-氨基丁酸受體β亞單元）和鳥苷酸環(huán)化酶受體GCY-18能夠調(diào)控離子通道。線蟲受體激活與生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制說明線蟲在最佳趨化狀態(tài)下或者極端環(huán)境下通過調(diào)整不同的代謝途徑來維持自身能量的平衡，保持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)，維持生存。在酸堿鹽條件下線蟲的反應(yīng)和存活機(jī)制也證實(shí)了大豆孢囊線蟲能在酸堿鹽土壤中發(fā)生的原因。結(jié)合差異表達(dá)基因和蛋白與蛋白互作分析構(gòu)建了大豆孢囊線蟲響應(yīng)pH和鹽離子刺激的細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)調(diào)控模型（圖2）。本研究結(jié)果不僅豐富了線蟲對(duì)化學(xué)信號(hào)反應(yīng)機(jī)制的知識(shí)，而且所鑒定的不同跨膜受體及其離子通道是挖掘新型殺線劑的重要靶標(biāo)。由于寄生線蟲的保守性，由此推測(cè)大豆孢囊線蟲可以作為一個(gè)模式寄生線蟲研究線蟲化感信號(hào)識(shí)別和反應(yīng)機(jī)制，這些鑒定的受體也是開發(fā)藥物防治人畜寄生線蟲的潛在靶標(biāo)，研究結(jié)果具有重要的科學(xué)意義和潛在的應(yīng)用價(jià)值。
圖1 大豆孢囊線蟲響應(yīng)pH和鹽溶液刺激的行為學(xué)特征
圖2 調(diào)控大豆孢囊線蟲響應(yīng)pH和NaCl的細(xì)胞模型
相關(guān)研究成果近期發(fā)表在國(guó)際期刊《Journal of Agricultural & Food Chemistry》上。農(nóng)田有害生物控制學(xué)科組博士研究生姜野和特聘研究助理黃銘慧為共同第一作者，李春杰正高級(jí)工程師和王從麗研究員為共同通訊作者。研究工作得到中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目聯(lián)合資助。
論文信息：Ye Jiang, Minghui Huang, Rrifeng Qin, Dan Jiang, Doudou Chang, Yifan Xie, Chunjie Li* and Congli Wang*. Full-Length Transcriptome Analysis of Soybean Cyst Nematode (Heterodera glycines) Reveals an Association of Behaviors in Response to Attractive pH and Salt Solutions with Activation of Transmembrane Receptors, Ion Channels, and Ca2+ Transporters. Journal of Agricultural & Food Chemistry. 2023, doi: 10.1021/acs.jafc.3c00908.
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jafc.3c00908.
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