植物与植食性昆虫的分子互作:基础与应用

植物与植食性昆虫之间存在着复杂的分子互作。首先,植食性昆虫会利用自身的嗅觉和味觉化学感觉系统,通过对植物挥发性和非挥发性信息化合物的编码与解析,结合对植物颜色、形状等物理信息的感觉与编码,定位及确定寄主植物。其次,植物可以通过位于细胞膜的受体识别植食性昆虫相关模式分子和损伤相关模式分子,启动由早期信号事件和植物激素信号途径介导的防御反应,并由此而影响植食性昆虫的种群适合度。最后,为抵御寄主植物的防御反应,植食性昆虫会通过复杂多样的反防御策略适应或抑制寄主植物的防御反应。本文对如上所述的植物与植食性昆虫分子互作研究进展及由此而开发的一些害虫防控新技术进行了综述。

昆虫分泌物介导的昆虫与植物互作研究进展

昆虫和植物是自然界生物类群中重要的组成部分,在长期进化的过程中形成了复杂的相互作用关系,如植物进化出了复杂的防御策略来抵御昆虫为害,同时,昆虫为了获取更多的生存资源也进化出了更多的适生方式。因此,分析和了解昆虫与寄主植物相互适应的研究进展对害虫的有效防治和抗虫植物的培育具有重要作用。在昆虫与寄主植物互作的研究中,植食性昆虫的口腔分泌物(唾液或反刍液)、卵分泌物、肠道合成物及微生物等作为连接昆虫和植物的中间媒介,其有效成分不仅起着诱导或增强植物防御的作用,而且部分还具有抑制或削弱植物防御的功能,因此,按有效成分发挥的作用,植食性昆虫的口腔分泌物主要可分为激发子和效应子。本文从昆虫分泌物的角度介绍了昆虫钙结合蛋白类、酶类和毒液蛋白类等效应子与脂肪酸氨基酸共轭物类、多肽类和酶类等激发子及其介导植物防御的主要方式,明确了植食性昆虫适应寄主植物防御的不同策略,不仅有助于对昆虫和植物两者互作机制的深入解析,而且为绿色有效防治害虫和植物抗性品种的选育提供新的思路。

跨界小RNA调控昆虫与寄主植物及病原微生物互作的研究进展

小RNA(small RNA,sRNA)是一类序列短于300 bp的非编码RNA,它在生物体的细胞生长、分裂、分化、增殖和凋亡过程中发挥着重要的调控作用。近年来的多项研究表明,sRNA还可以作为信号分子在物种之间传递,以跨界方式发挥调控作用。除了视觉和化学信息,生物个体之间还可以利用多种分子信号传递和实现信息交流,其中,sRNA分子不仅可以在生物个体内移动和调控基因表达,还可以作为1种分子信号跨越物种发挥动物、植物和微生物互作关系的信息纽带作用。作为地球上物种数量最多、生态位最丰富的类群,昆虫体内存在多种外源sRNA分子。本文分析了sRNA介导跨界调控的分子基础,综述了近年来关于外源sRNA通过生物互作进入昆虫体内,跨界调控昆虫基因表达,影响昆虫与寄主植物及病原微生物之间互作关系的研究进展,并分析了sRNA介导的跨界RNAi对昆虫生态适应性的影响以及在害虫防控中的应用前景。昆虫和植物之间sRNA分子的跨界转移可以调控植物抗虫性和社会性昆虫的品级分化,微生物的sRNA进入昆虫体内可以辅助病原微生物的侵染或影响寄生蜂的发育。利用基因工程改造或人工表达外源sRNA进行跨界调控是研发害虫高效生防产品的新途径。

基于文献计量的国内植物与昆虫互作关系研究发展分析

植物与昆虫相互关系一直是生态学家研究的热点问题,为了解国内植物与昆虫互作关系研究发展现状,以2002—2021年发表在中国知网有关植物与昆虫相互关系的文献为数据来源,采用文献计量学方法,运用Excel和VOSviewer等软件对该领域年发文量、研究作者和机构、发表期刊、关键词等进行了统计分析。结果表明,2002年发文量最少,此后年度发文量迅速上升,在2006年达到一个峰值,2020年年发文量最多,发文量总体呈上升的趋势。从主要作者来看,大部分作者发文量均小于5篇,发文量为5篇及以上的作者仅有24人。中国科学院、中国农业科学院和浙江大学为该领域研究实力领先的科研机构。从来源期刊上来看,《应用昆虫学报》《昆虫学报》《昆虫知识》和《环境昆虫学报》发文量较多,比较受科研人员的青睐。从研究热点可知,国内学者在植物与昆虫互作关系研究主要集中在昆虫对寄主植物的选择以及植物对昆虫的防御等方面。总之,目前关于植物与昆虫相互关系的研究论文发表在国内期刊的数量较少且研究方向比较集中,期待更多的科研人员把最新的科研成果发表在国内期刊以促进该领域的发展。

昆虫携带花粉网络的构建及其与植物-传粉者互作网络的关系

昆虫的访问不等同于授粉,了解植物与传粉者之间的真实相互作用关系是构建传粉网络的关键步骤。本文阐述了昆虫携带花粉网络构建的关键因素和方法,分析了昆虫携带花粉网络与植物-传粉者互作网络的利弊以及二者之间的关系,以期两种网络可以相互补充,从而可以更好地了解植物与传粉者的相互作用关系以及群落物种多样性的形成和维持机制。

挥发性化合物介导的植物-植食性昆虫-天敌三级营养级互作机制及应用

农业生态系统中植物-植食性昆虫-天敌三级营养级间存在复杂的互作关系,挥发性化合物在三级营养级互作中发挥着重要作用。植食性昆虫能够以植物挥发物为化学线索精准地识别和定位寄主,而虫害诱导的挥发物作为关键的化学信息物质对于调控三级营养级关系起到不可或缺的作用,一直是该领域研究的重点和热点问题。另外,植物为传粉昆虫提供花粉或者花蜜,传粉昆虫可以通过识别花中挥发物寻找食物来源,在帮助植物传粉的同时有利于自身的生长发育与繁殖。近40年来,随着传统化学生态学研究的不断深入,特别是化学分析手段和灵敏度的不断提高以及电生理研究技术的广泛渗入,新的研究理念、研究手段快速形成与发展。在三级营养级互作的过程中,昆虫化学感受基因参与了对挥发性化合物的识别。因此,对昆虫化学感受基因的挖掘与功能鉴定将有助于解析昆虫化学感受的分子机制,研发更高效的昆虫行为调控产品并科学合理地应用于农业害虫的绿色防控,对于农田生态环境的保护具有十分重要的意义。本文综述了挥发性化合物对植食性昆虫、天敌昆虫与传粉昆虫行为的影响,详述了挥发物介导的三级营养级之间的互作机制与研究现状,以及在害虫绿色防控中的应用,并对未来重点研究的问题进行了展望。

葡萄糖氧化酶在植食性昆虫与寄主植物互作中的作用

昆虫葡萄糖氧化酶(glucose oxidase,GOX)主要由下唇腺产生,含量很高,经由吐丝器排出体外,是唾液中的主要酶类.越来越多的证据表明,昆虫唾液中的GOX在植食性昆虫与寄主植物的相互关系和协同进化中发挥重要的作用,是它们互作的纽带.在二者的互作中,植食性昆虫的GOX可以显著抑制寄主植物的防御反应,也可以诱导寄主植物的直接或间接防御;而不同的寄主植物对同一种昆虫或相同植物对不同种昆虫GOX的影响也存在较大差异,特别是植物中的营养物质,如蛋白质和糖,都会对GOX产生影响,这种影响发生在转录、翻译或翻译后水平.同时,植物中毒素对GOX的影响也不容忽视.主要综述了昆虫GOX的基本特性、与寄主植物防御之间的关系以及食物因子对GOX的影响,以期为深入探讨植食性昆虫与寄主植物的协同进化机理提供有价值的信息.

干旱胁迫下以植物为介导的地上和地下植食性昆虫的相互作用

全球气候变化下的营养级相互作用对生态系统的影响至关重要,尤其以植物为介导的地上和地下植食性昆虫之间的相互作用在植食性昆虫和多营养级群落中占有重要地位。此外由于全球气候变化,干旱事件出现的频率和强度极有可能增加,因此研究干旱胁迫下以植物为介导的地上和地下植食性昆虫之间的相互作用,对预测全球气候变化对生态系统的影响极其必要。本文通过查阅大量相关研究文献发现:1)当前气候下地上与地下植食性昆虫的相互作用主要是建立在“植物胁迫假说”和“防御诱导假说”上,并通过植食性昆虫到达寄主植物的顺序、植食性昆虫性能参数、植物生活史以及植食性昆虫的类型影响地上和地下植食性昆虫相互作用;2)干旱胁迫对植物的影响建立在“生长-分化”假说上,目前这一理论得到了一定支持;3)干旱胁迫可引起植物生理的改变从而影响植物与地上食叶昆虫(咀嚼类、刺吸式)间的相互关系;4)干旱胁迫下植物与地下食根昆虫的相互研究较少,目前仅有的研究认为干旱与地下食根昆虫造成的植物根系伤害可能是叠加的;5)干旱胁迫下以植物为介导的地上和地下植食性昆虫之间的相互作用可能受到植食性昆虫种类,植物种类,植物防御化合物的类型、浓度和分布,植物激素,植物适口性,植物群落以及生境等的影响;6)今后关于干旱胁迫下以植物为介导的地上和地下植食性昆虫相互作用的研究还需进一步缩小试验局限性:如长期实地试验,扩大试验范围(如纳入更多植物以及植食性昆虫种类等),创新试验方法等充分探讨相互作用之间的主导机制。

森林生态系统中植食性昆虫与寄主的互作机制、假说与证据

围绕"多样性稳定性"假说、"联合抗性假说"、"生长势假说"、"胁迫假说"、以及下调、上调和推拉等机制与假说提出的背景与实验验证的证据,力图辨析其概念以及它们之间的相互关系。作者认为,多样性-稳定性机制关注森林生态系统的功能,是基于群落甚至景观层次。多样性条件下的联合抗性机制和联合易感性应属于稳定性中的抵抗力范畴。联合抗性机制的主要基础是基于资源集中假说和天敌假说,这些观点在种群层次上更易理解;上调力和下调力机制是以食物网底部的资源与顶端的天敌来探讨这种互作关系。因此,资源集中与上调力有着对应关系,而天敌假说只是下调力机制中的一个层面而已。植物生长势假说和植物胁迫假说力图从植物个体或种的群体的生长状态出发解析植食性动物的对寄主的选择趋势。上述有关植食性昆虫与寄主互作的机制、假说与证据是基于不同的层面提出的,因而在解析研究目标时,由于基本面的差异有可能会得出不同的结论。以近年来的研究进展和研究成果为依据有针对性地阐述这些理论对森林有害生物生态调控技术的指导作用,其中,联合抗性和联合易感性理论对指导森林有害生物生态控制具有更直接的指导作用。进一步提出了相应的亟待解决的科学问题。

寄主植物与刺吸式昆虫互作防御的研究进展

寄主植物与昆虫在长期协同进化中形成了复杂的防御和反防御机制。本文系统综述了寄主植物与刺吸式昆虫互作防御的过程与机制。刺吸式昆虫利用特化的口针,吸食寄主植物组织汁液时,植物通过细胞膜表面或细胞内受体感知昆虫取食信号,并经过丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)信号通路、植物激素信号通路、钙离子信号通路、转录因子调控、Rop/Rac GTPase信号通路、活性氧(reactive oxygen species,ROS)通路等信号转导通路激活植物免疫。为了阻止害虫进一步取食,寄主植物形成了增强的物理屏障,并诱导产生次生代谢物、抗营养酶类、抗消化酶类和胼胝质沉积及释放挥发物等多种防御机制。在与寄主植物“博弈”的过程中,刺吸式昆虫往往会利用其取食时分泌的唾液成分,靶向植物靶标蛋白,通过破坏宿主植物的物理屏障,或抑制宿主植物的抗性信号转导,或抑制宿主次生代谢物的毒害作用,或通过跨界RNA和水平基因转移等方式抑制植物的防御反应,从而达到继续取食为害的目的。此外,基于植物与病原菌互作模式,结合寄主植物与刺吸式昆虫互作研究进展,总结了寄主植物与刺吸式昆虫互作模型的发展。寄主植物与昆虫互作过程复杂,研究寄主植物与刺吸式昆虫的互作防御过程与分子机制,不仅有助于加深对二者协同进化的理解,也可为开发作物害虫防控新途径和新技术提供理论基础与参考。

植食性动物与植物互作关系研究进展

在自然生态系统中,动物与植物相互作用、相互影响、协同进化,构成了生态系统的重要组成部分和生态过程,探讨并揭示动植物互作关系有助于制定野生动植物保护的科学对策。本文从动物与植物两个方面综述了植食性动物与植物的互作关系,并重点论述了植物次生代谢物对这种互作关系的影响。植物对植食性动物的主要作用是为植食性动物提供营养和栖息场所,而植食性动物对植物的影响具有正向和反向两方面。一方面,植物对植食性动物的啃食会产生物理和化学防御机制;另一方面,针对植物的防御策略动物会在生理和行为上产生反防御机制。以往研究证明,在植食性动植物互作关系研究中,植物次生代谢物可作为重要切入点,植物次生代谢物可影响动物对植物的啃食,也会影响动物生理,从而达到植物自身的防御目的。从目前国内外已有的研究看,有关植食性动植物互作关系的研究大都集中在一些小型植食性动物,对大型植食性动物的研究相对较少;植物次生代谢物对大型植食性动物的生理造成的影响、危害等研究也相对较少;化学防御行为产生的诱导因子目前尚未明确,产生过程相对复杂。总之,植食性动物与植物互作关系的研究切入点较多,并具有很高的理论和实践指导意义。

蜜蜂气味结合蛋白与外源性化合物互作机制研究进展

嗅觉是蜜蜂赖以生存和繁殖的主要感官方式,可为蜜蜂外出觅食、躲避天敌、交配等行为提供重要信息,而气味结合蛋白(odorant-binding proteins,OBPs)在其嗅觉感知中发挥着关键作用。探究外界环境中各种化学物质与蜜蜂OBPs之间的相互作用,对于揭示蜜蜂OBPs对不同外源性化合物的结合特性和结合机制具有重要意义。外源性化合物主要包括化学信息物质(信息素和蜜源开花植物挥发物)以及杀虫剂等农用化学品。一方面,化学信息物质与蜜蜂OBPs结合,在维持蜂群稳定、繁殖、觅食、授粉等生理功能中发挥着重要作用;另一方面,杀虫剂与蜜蜂OBPs结合则可能危害蜜蜂嗅觉系统,影响或干扰蜜蜂对环境气味分子的识别。本文综述了蜜蜂OBPs的种类、功能及其与外源性化合物互作机制的研究进展,以期为深入探究蜜蜂OBPs的生理功能、保护蜜蜂免受杀虫剂等化学物质的危害提供参考。

马铃薯Y病毒属病毒与植物互作的分子生物学

马铃薯Y病毒属 (Potyvirus)是植物病毒中最大的属 ,其基因组为一单链正义RNA ,只包含一个开放阅读框架。基因表达的策略为先将基因组的开放阅读框架翻译成一大的多聚肽 ,再由病毒编码的蛋白酶将其切割成各个小的肽段。表达的产物在病毒的系统侵染、传播、症状表达中起不同的作用。本文综述了该属病毒与寄主植物之间互作的分子生物学基础研究进展 ,并在此基础上就植物对该属病毒的抗病性等方面的研究进展进行了讨论。

白云岩喀斯特地区植物昆虫互作研究初探

贵州施秉地区是世界自然遗产提名预选地——白云岩喀斯特的典型区域。该地区特殊的自然条件孕育了特殊的生物多样性,研究植物与昆虫的相互作用,能够深入理解植物与环境的适应性机制。在施秉云台山地区观察9个物种的传粉昆虫以及访花频率。结果表明,9个物种均属于泛化的传粉系统,不同昆虫对同一植物通常不具有偏好,昆虫的类群与以往的研究类似,但施秉地区的植物与昆虫互作模式有其特殊性。

昆虫唾液介导的植物与植食性昆虫防御与反防御研究进展

植物和植食性昆虫在长期的相互作用和共同进化过程中,彼此之间形成了复杂的适应机制.在取食的过程中,昆虫唾液中的激发子会与植物相关受体结合,通过信号传导级联诱导植物产生防御蛋白、有毒的次生代谢物来抵御昆虫的取食或生存.同时,昆虫也进化出了干预植物防御的策略,其唾液中的效应子可以抑制植物免疫反应,从而有利于昆虫在植物上的正常生长与繁殖.本文综述了植物与植食性昆虫相互作用中的主要特征,介绍了植物在感知虫害后所采取的各种策略,以阻止植食性昆虫发展的抗性机制,并强调昆虫唾液在植物-昆虫相互作用中的重要作用,为研究新型害虫可持续控制策略提供新思路.

根际微生物-植物-病毒-介体昆虫多元互作研究进展

近年来各种农作物病虫害的频发,以及化肥、农药滥用带来的系列农业问题的加剧,迫切需要更加环保可持续的方法实现绿色植物保护。植物病毒导致植物严重病害,素有"植物癌症"之称,因其难于防治,高度依赖化学农药防治介体昆虫。农业生态系统中,作物已有的精密调控机制,维持其与周围各种有害或有益生物进行信息交流并成功在复杂的生境中成长,病害的爆发与控制是植物-病原-昆虫之间的抗性节制-反制的博弈过程。植物在整个生活史中与生境中各种生物发生多种相互作用并彼此联系,这些互作利于或不利于其生长发育及繁殖。探索研究利用植物根际微生物群落(Microbiota),提升植物抗虫传病毒病害能力的多元生物互作机制,有助于更好的保护植物健康,提高生态文明。从介绍植物-根际微生物、植物-病毒、植物-昆虫、植物-病毒-昆虫四个互作的子系统研究现状入手,揭示目前所知的各个分系统互联互通的分子机制,并讨论围绕植物根际微生物组进行多元互作研究的趋势及重要意义,以期对有关植物与周围生物互作做较为全面和系统的介绍,从而为基于多元互作机制寻找绿色、可持续的治理植物虫传病害策略提供参考和启发新思路。

sRNA移动在植物与植食性昆虫互作中的作用

植食性昆虫与植物间存在多种互作,涉及到基因表达、代谢组学变化和植物激素串扰等多个方面。小RNA(small RNA,sRNA)作为一种植食性昆虫与植物间的调节因子可在基因转录或转录后起作用,主要表现为控制染色体的剪接和翻译,诱导信使RNA(messenger RNA,mRNA)抑制和指导靶转录本降解等。因此,sRNA介导的基因调控是植食性昆虫与植物互作研究中的重要内容。其中,外源sRNA在植食性昆虫和植物细胞间、细胞外以及生物体间的信号分子作用备受关注,且基于sRNA的生物防治技术研究也逐渐被应用于实践。该文主要对s RNA在植食性昆虫和植物间的迁移方式及sRNA在植食性昆虫和植物生长发育过程中产生的影响进行综述,探讨sRNA对植物-寄生体-植食性昆虫体系的影响,并对sRNA在农业重大虫害生物防治领域的应用前景进行展望,以期开发绿色高效的生物防治药剂,减少化学农药用量,创造更高的经济价值和环保价值。

中科院武汉植物园入侵植物与昆虫互作关系研究取得进展

国际权威生态学杂志Journal of Ecology在线发表了由中国科学院武汉植物园主持完成的科研成果Resource allocation to defence and growth are driven by different responses togeneralist and specialist herbivory in an invasive plant。该成果对探明外来植物入侵机理及其防治具有重要意义。

昆虫—病原物—寄主植物互作关系被揭示

中国农业科学院蔬菜花卉研究所研究员张友军领衔的蔬菜虫害防控创新团队利用生物学、生态学和分子生物学方法,并结合突变体材料的应用,发现植物诱导产生的防御途径可通过相互间的＂通话＂调控不同有害生物种群的暴发。相关研究已在线发表于《植物细胞与环境》。昆虫—病原物—植物在长期进化过程中形成了复杂的互作关系。

真菌与植物互作共生分子机理解析取得重要进展

大家都知道水稻是什么，但很少知道菰（读作gu）为何物？其实，菰是我国早期主要谷类作物之一，它的种子叫菰米或雕胡米，为“六谷”之一，在我国古代诗词中有大量描述，赞美其香美可口；但其后来被水稻取代，目前栽培种已消失。同时，菰会受到黑粉真菌侵染，形成长期共生关系；受侵染的菰可以形成可食用的鲜嫩膨大茎，被我们祖先驯化成蔬菜作物——茭白。该菌一寄主共生关系，为研究宿主在病原体长期侵染下基因组的适应性分化提供了一个难得的遗传材料。