2月4日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心李大鵬研究團隊與德國馬克斯普朗克化學生態所合作在《科學》以封面論文的形式發表論文首次揭示了植物如何巧妙組裝其特異性代謝產物應對農業重大害蟲小葉蟬的非寄主抗性機制。
這一成果不但為探索植物昆蟲互作開闢了新的博物學驅動的多組學分析方法，還為植物如何特異性調度其化學“防禦壁壘”抵抗昆蟲進攻提供了全新的代謝視角，是植物對多食性昆蟲的非寄主抗性研究的重大突破，同時該研究應用合成生物學的手段對農作物首次進行植物非寄主抗性代謝改造，為農業精準綠色防控技術提供全新可行性應用方案。
小葉蟬（Empoasca leafhopper）是一種嚴重危害農作物的世界性害蟲，每年造成嚴重作物減產及經濟損失。目前的防治方法是大量噴洒農藥，但是防治效果有限而且代價高昂。植物是天然的有機合成專家，由於其固着於土地之上，無法像動物一樣逃避傷害，因此，植物進化出了能夠生成結構複雜多樣的特異性代謝產物以適應其複雜多變的生存環境。在全球氣候變暖和全球草食動物日趨變化的世界中，投機型的植物昆蟲交互將成為未來自然和人造生態系統的主導交互模式，對植物如何應對這種非寄主投機性交互的認知將極大地幫助我們設計能應對氣候變化的未來綠色抗逆作物。
小葉蟬的攻擊誘導了關鍵抗性化合物的合成與調控路徑
在該項研究中，研究團隊在野外大田種植了由26個父母本雜交生成的共1816株重組自交系群體，這些自交系群體的基因背景各不相同，以供小葉蟬的“竊聽”和宿主選擇。當小葉蟬自由攻擊這些植物時，它們的攻擊率便可以用來幫助確定非寄主植物轉變為寄主植物的遺傳元素。該研究通過博物學驅動的正向遺傳學與反向遺傳學、轉錄組學及非靶向結構代謝組學相結合的全新分析方式鑒定到了一種新的植物特異性代謝產物，是植物對小葉蟬產生非寄主抗性的關鍵化合物，並將其命名為CPH。研究發現，植物只有在被小葉蟬，而非其他昆蟲攻擊的時候，非常規的茉莉素元件JAZi才會在被攻擊的葉片特異性表達，激活其調控的CPH合成。巧妙的是，該化合物凝結了3大代謝通路，其中一個關鍵合成通路是由植物綠葉揮發通路組成的，是植物揮發性間接防禦的核心通路，另外兩個通路則參與植物的直接防禦物質合成。因此該研究首次解析了植物的直接和間接防禦通路是如何巧妙地“對話和調度”合成其代謝武器的。最終，研究團隊通過合成生物學的手段將該代謝通路整合到番茄與蠶豆等作物中，設計出小葉蟬非寄主選擇的高抗作物。
上一世紀60年代開始的農業綠色革命前所未有地增加了農作物產量。如今，人口持續增長，同時，全球氣候變暖引起的持續增長的乾旱、真菌入侵及病蟲害對未來農業發展帶來巨大挑戰。植物是最複雜精妙的化學設計師，該研究運用的博物學驅動的多組學分析及與合成生物學相結合的研究方法將為挖掘植物數百萬年進化的化學創新手段，為設計第二代綠色革命高產優質抗逆作物提供全新的代謝維度。