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分子植物卓越中心发现昆虫免疫防御新机制

2021-05-07 分子植物科学卓越创新中心
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  5月4日,中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员王四宝课题组在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上在线发表了题为Insects defend against fungal infection by employing microRNAs to silence virulence-related genes的研究论文。该研究首次发现昆虫分泌miRNA到入侵的病原真菌内,利用“跨界RNA干扰(cross-kingdom RNAi)”机制沉默真菌毒力基因的表达,对抗真菌侵染的免疫防御新机制。

  昆虫是地球上最繁盛、种类最多、分布最广的生物类群,是地球生态系统中不可或缺的组成部分。同时,昆虫取食或吸血对农业生产和人类健康造成危害,害虫的绿色防控对保障粮食安全生产、人类健康和生态安全具有重要意义。昆虫在自然生长发育过程中,会遭受来自各种病原微生物的攻击,有些病原微生物已被开发用于害虫的微生物防治。球孢白僵菌等真菌通过体壁侵染的方式感染昆虫,在刺吸式口器的病媒昆虫(蚊虫等)和农业害虫的生物防治上具有独特的优势,被认为是蚊虫生物防治上最具潜力的下一代生物杀蚊剂之一。开展昆虫与病原真菌互作机理研究,深入解析寄主昆虫抵抗真菌感染的免疫机制,可为提高真菌杀虫效率提供新的靶标,对研发高效真菌杀虫剂或益虫保护均具有重要意义。

  昆虫在自然界与各类病原体长期攻防和博弈的过程中,进化形成了一套复杂高效的独特防御系统抵御病原菌的感染。病原真菌在穿透体壁侵染过程中,昆虫模式识别受体PRR通过识别真菌特定分子结构(即病原相关分子模式PAMP)、激活Toll等免疫信号通路介导产生抗菌肽、酚氧化酶系统介导产生黑化免疫反应,以抵御真菌的感染。当病原真菌穿透体壁侵入昆虫血腔后,便分化形成棍棒状、薄或无细胞壁的芽生孢子(虫菌体),逃避寄主昆虫的免疫识别和血细胞免疫反应。病原真菌侵入昆虫血腔后,一般需要一周甚至更长的时间才能将昆虫致死。然而,学界对昆虫如何抵抗侵入血腔中病原真菌感染的免疫机制了解甚少。

  微小RNA(miRNA)是一类在转录后水平调控基因表达的长约22个核苷酸小分子RNA(sRNA),广泛参与发育、免疫、宿主与病原互作等生物学过程。以往有关昆虫miRNA在免疫防御中的研究主要集中在调控昆虫自身免疫基因上。王四宝团队通过sRNA测序,对感染球孢白僵菌后昆虫体表长出的菌丝中miRNA进行分析,发现侵染菌丝含有多个昆虫miRNAs(let-7、miR-100等)。研究显示,当真菌从昆虫体壁侵入血腔后,蚊虫和家蚕均显著上调表达let-7和miR-100,并将这些miRNA转运到入侵真菌的细胞内,分别靶向沉默真菌基因sec2p(编码一个鸟嘌呤核苷酸交换因子)和C6TF(编码一个Zn(II)2Cys6家族的转录因子)。敲除基因sec2pC6TF后球孢白僵菌的致病力显著减弱,表明sec2pC6TF为真菌毒力相关基因。上述研究结果表明,昆虫与病原真菌互作过程中分泌特定的miRNA并转运到入侵病原菌细胞中,诱导沉默真菌毒力相关基因的表达,从而抑制病原菌的致病力(下图)。重要的是,在病原真菌中表达let-7 sponge或miR-100 sponge(miRNA sponge是一段含有miRNA结合位点的RNA分子,通过竞争性结合起到miRNA海绵的作用)能够有效抑制let-7和miR-100对真菌靶基因的沉默作用,进而显著增强病原真菌的致病力。

  该研究是昆虫免疫研究领域的重要进展,从新的视角揭示了昆虫miRNA如何“以小博大,跨界打靶”病原菌致病基因的互作机制,开辟了“跨界RNAi”介导的昆虫免疫防御研究的新方向。该研究不仅发现了一种全新的昆虫免疫防御机制,而且对应用遗传手段逆转昆虫miRNA效应因子干扰真菌毒力基因表达提供了新方法,为真菌杀虫剂的遗传改良提供了新策略。

  王四宝团队前期研究发现,杀虫真菌利用sRNA作为效应因子实施跨界抑制昆虫免疫反应并促进感染的新机制(Cui et al., 2019. Nature Communications)。这些研究发现并证实了sRNA在昆虫与互作的病原真菌之间跨界转运,并通过RNAi机制跨界调控敌方基因的表达,参与昆虫免疫和病原真菌的致病过程。

  王四宝课题组的博士研究生王燕和崔春来为论文的共同第一作者,博士生王官栋、李袆斐等参与了研究工作,王四宝为论文通讯作者。研究工作得到国家重点研发项目、国家自然科学基金、中科院等的资助。

  论文链接 

昆虫miRNA跨界抑制病原真菌毒力基因表达来防御真菌感染的免疫新机制

打印 责任编辑:张芳丹

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