董玉妹, 張美倩, 沈 慧, 黃興革, 楊玉霞, 李繼芬, 張文丹,沈丹宇, 景茂峰, 竇道龍, 夏 愛

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護學(xué)院, 南京 210095)

全世界已記錄的昆蟲大約有100萬種，其中50%是植食性昆蟲，它們嚴(yán)重影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，引起巨大的經(jīng)濟損失(姜玉英等, 2020)。為控制農(nóng)業(yè)病蟲害，我國化學(xué)農(nóng)藥的使用面積已高達5.61億公頃次，不當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)農(nóng)藥使用給生態(tài)環(huán)境、害蟲抗藥性和食品安全等帶來一系列的問題(張杰等, 2019)。在綠色植保理念下，培育抗蟲新品種成為了農(nóng)作物害蟲防控的必要和重要手段，深入研究植物防御和昆蟲反防御的分子機制將為抗蟲育種奠定重要的理論依據(jù)(王杰等, 2018)。相比于植物免疫受體、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制和植物病原菌效應(yīng)子的機制等方面取得的突破性成就(張杰等, 2019)，植食性昆蟲與植物互作的研究相對薄弱，但最近幾年來國內(nèi)外學(xué)者在昆蟲唾液效應(yīng)子、激發(fā)子和調(diào)控寄主免疫機制方面已取得了一系列研究進展(Stahletal., 2018; Erb and Reymond, 2019; Chen and Mao, 2020; Duetal., 2020)。本文主要綜述了在植物與植食性昆蟲互作的防御和反防御過程中，昆蟲唾液效應(yīng)子和激發(fā)子在植物取食過程中的關(guān)鍵作用以及最新研究進展，重點闡述了昆蟲效應(yīng)子調(diào)控寄主植物免疫反應(yīng)的分子機制。

1 昆蟲唾液效應(yīng)子和激發(fā)子在植物與昆蟲“防御-反防御”中的作用

在植物與昆蟲數(shù)百萬年的協(xié)同進化過程中，植物為了躲避和抵御植食性昆蟲造成的傷害，逐漸進化形成了一套高效的抗蟲免疫防御策略(Schuman and Baldwin, 2016)，但植食性害蟲為了從植物汲取營養(yǎng)維持生存和繁衍，則進化出一系列的反防御手段去操控寄主植物的免疫防衛(wèi)反應(yīng)(Stuart and Jeff, 2015)，這場“防御-反防御”的軍備競賽(arms race)也可以用病原菌與植物互作的經(jīng)典模型——之字形模型(zig-zag model)來詮釋(Wangetal., 2019)。植物主要利用自身的兩道防線來抵御昆蟲的侵害。

第一道防線依賴于植物細(xì)胞膜表面的模式識別受體(pattern recognition receptors, PRRs)，其通過識別昆蟲取食時釋放的損傷相關(guān)分子模式(damage associated molecular patterns, DAMPs)、昆蟲口腔分泌物(oral secretion, OS)中的植食性昆蟲相關(guān)分子模式(herbivore associated molecular patterns, HAMPs)或激發(fā)子(elicitors)而激活植物一系列的早期免疫防御反應(yīng)，即植食性昆蟲相關(guān)分子模式觸發(fā)的免疫(HAMP-triggered immunity, HTI)(Erb and Reymond, 2019)。植物HTI的防御信號主要包括細(xì)胞質(zhì)膜表面跨膜電位的去極化、胞質(zhì)鈣離子(Ca2+)濃度的升高、活性氧(reactive oxygen species, ROS)爆發(fā)和促細(xì)胞分裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)通路等(Wu and Baldwin, 2010)。植物的第一道防線能夠迅速有效地?fù)敉舜蠖鄶?shù)昆蟲，然而植食性昆蟲會從口腔分泌效應(yīng)子(effectors)到植物體內(nèi)抑制HTI，被稱為效應(yīng)子激發(fā)的感病性(effector-triggered susceptibility, ETS)，實現(xiàn)對寄主植物的成功取食(Hogenhout and Bos, 2011)。由于效應(yīng)子在昆蟲和植物互作中的關(guān)鍵反防御作用，植食性昆蟲效應(yīng)子的研究成為昆蟲與植物互作的核心內(nèi)容，近10年來取得了一系列的突破性研究進展(Bruce, 2015; Stahletal., 2018; Duetal., 2020)。

進化的壓力迫使寄主植物升級了對昆蟲的反防御策略，抗性植物則啟動防御昆蟲的第二道防線，進化出特異性的抗性(R)蛋白去識別植物細(xì)胞內(nèi)的昆蟲無毒效應(yīng)子(avirulence effectors, Avr effectors)，由此引發(fā)效應(yīng)子誘導(dǎo)的免疫反應(yīng)(effector-triggered immunity, ETI)(Guiguetetal., 2016)。植物典型的R蛋白為含有核苷酸結(jié)合位點和亮氨酸重復(fù)序列(nucleotide-binding leucine-rich repeat receptors, NLRs)的蛋白，可以特異性識別某個昆蟲種群的某個效應(yīng)子或者某一類效應(yīng)子，從而對效應(yīng)子功能進行干擾，產(chǎn)生強于HTI的免疫反應(yīng)ETI(Tamborski and Krasileva, 2020)。例如馬鈴薯借助體內(nèi)R基因Mi-1.2編碼的蛋白實現(xiàn)對馬鈴薯蚜蟲Macrosiphumeuphorbiae、1種木虱、3種線蟲和粉虱的2種生物型的抗性(Rossietal., 1998)。植食性昆蟲又進化出多種方式去逃避R蛋白的識別或者抑制ETI。總之，植物和植食性昆蟲的互作過程是一場軍備競賽，對立的兩者采用各種策略試圖壓制對方而有利于自己，其中昆蟲效應(yīng)子和激發(fā)子在昆蟲的取食過程中起著決定性的作用。

2 昆蟲唾液成分在調(diào)控植物免疫中的關(guān)鍵作用

植食性昆蟲根據(jù)取食方式和行為的不同主要分為咀嚼式口器和刺吸式口器害蟲。咀嚼式口器昆蟲如鱗翅目的幼蟲、直翅目的蝗蟲和鞘翅目的甲蟲等，啃食作物的各個部位形成明顯的缺口和傷殘，造成寄主植物細(xì)胞的大面積破壞，破損細(xì)胞釋放出的DAMPs能被植物細(xì)胞膜表面的PRRs識別誘發(fā)植物的免疫防御反應(yīng)(Erb and Reymond, 2019)。咀嚼式口器昆蟲取食過程中，由成對的下頜腺和唇腺分泌唾液成分到植物體內(nèi)。有證據(jù)表明，這些唾液成分對昆蟲調(diào)控寄主植物免疫反應(yīng)和促進取食發(fā)揮著重要作用。例如，它們唾液中的大量消化酶和解毒酶等可以降解植物產(chǎn)生的有害次級代謝物；產(chǎn)生的抗氧化酶可以通過減少活性氧物質(zhì)來避免昆蟲被植物識別；合成的揮發(fā)性物質(zhì)可影響植物吸引天敵的能力；此外唾液中包含的潤滑、免疫等相關(guān)蛋白還可能有利于昆蟲與自然環(huán)境中的植物和微生物的互作(Rivera-Vegaetal., 2017; Basuetal., 2018)。

刺吸式口器害蟲包括半翅目的蚜蟲、飛虱、葉蟬、蝽象、盲蝽等，為了避免造成大面積植物損傷誘發(fā)的植物免疫防衛(wèi)反應(yīng)，則進化出精細(xì)的針式口器盡量沿著植物表皮細(xì)胞和葉肉細(xì)胞間隙穿行，最終到達植物韌皮部或木質(zhì)部汲取營養(yǎng)豐富的流動的汁液(Jiangetal., 2019)。與咀嚼式口器害蟲相比，對刺吸式昆蟲取食過程和唾液成分的研究更為詳盡，已有相關(guān)文獻對蚜蟲和飛虱的唾液成分類型、研究方法(van Bel and Will, 2016; Huangetal., 2019b)以及唾液成分對篩孔阻塞的作用(Mondal and Ali, 2017; Garzoetal., 2018)等分別作了綜述。刺吸式害蟲整個取食過程中分泌兩種唾液成分到寄主植物體內(nèi)，其中分泌后很快形成口針鞘包裹口針的唾液成分為膠狀唾液(gel saliva)，起著潤滑保護口針和幫助口針定位防止移動的作用(Erb and Reymond, 2019)。研究發(fā)現(xiàn)，蚜蟲膠狀唾液結(jié)構(gòu)蛋白和褐飛虱Nilaparvatalugens唾液鞘蛋白NlShp是昆蟲成功取食所必需的(Will and Vilcinskas, 2015)。深入研究還表明膠狀唾液在抑制植物防御反應(yīng)方面具有重要的地位，主要體現(xiàn)在其可以填充口針穿刺取食時造成的微小細(xì)胞傷口，避免誘發(fā)植物的免疫防衛(wèi)反應(yīng)(Huangetal., 2019b)。同時膠狀唾液還可以防止鈣離子由傷口運輸?shù)胶Y管內(nèi)腔而抑制篩管阻塞，從而可以保障昆蟲順利吸取篩管細(xì)胞內(nèi)流動的汁液(Vincentetal., 2017)。膠狀唾液不僅有利于昆蟲的取食過程，還可以被植物識別而激發(fā)早期免疫反應(yīng)(Willetal., 2013)。刺吸式昆蟲整個取食過程中釋放的另一種唾液成分為水狀唾液(watery saliva) (Mugfordetal., 2016)，主要成分為蛋白質(zhì)和酶 (Chenetal., 2019)，類似于咀嚼式口器昆蟲分泌的唾液成分，含有參與調(diào)控寄主植物防御免疫反應(yīng)的激發(fā)子和效應(yīng)子(Bruce, 2015)。刺吸式害蟲穿透植物表皮細(xì)胞到達韌皮部篩管取食，其唾液成分效應(yīng)子和激發(fā)子在植物細(xì)胞中能調(diào)控植物免疫的反應(yīng)(圖1)。

圖1 刺吸式昆蟲取食過程中分泌效應(yīng)子和激發(fā)子到寄主體內(nèi)調(diào)控免疫模式圖Fig. 1 Model of piercing-sucking insects secreting effectors and elicitors into hosts to regulate plant immunity during feeding刺吸式口器昆蟲利用針式口針在植物細(xì)胞間隙穿梭，偶爾會刺穿植物表皮細(xì)胞和葉肉細(xì)胞的進行試探，以獲得味覺線索，從而決定是否繼續(xù)進食。有些害蟲的口針會到達韌皮部，汲取篩管中流動的汁液獲取營養(yǎng)來促進發(fā)育和繁殖。在整個取食過程中，刺吸式口器昆蟲會遇到來自植物的免疫防衛(wèi)反應(yīng)而產(chǎn)生的各種屏障，而為了順利取食，昆蟲從唾液分泌大量效應(yīng)子(紅色圓圈)到植物細(xì)胞間隙或細(xì)胞內(nèi)抑制植物免疫防衛(wèi)反應(yīng)。同時昆蟲取食時分泌到細(xì)胞間隙的激發(fā)子(藍(lán)色三角)會被植物細(xì)胞膜上的模式識別受體所識別而激發(fā)早期的免疫防衛(wèi)反應(yīng)。The piercing-sucking insects utilize their needle-like stylet to probe in the intercellular space of plant cells. Occasionally they will penetrate epidermal and mesophyll cells for taste cues to determine whether or not to continue feeding. Evolutionarily succeed pests will eventually pass epidermal and mesophyll cells, and reach plant sieve tube cells for successfully sucking plant sap to develop and reproduce. During this whole process, the piercing-sucking insects encounter various kinds of obstacles produced by the plant immune system, but they can secrete a large number of effectors (red circle) through saliva into the plant cells or intercellular spaces to suppress the plant immune response and help them successfully feeding. Meanwhile, the elicitors in the intercellular spaces (blue triangle) secreted by insects during feeding can be recognized by pattern recognition receptors on the plant cell membrane to trigger early immune defense responses.

咀嚼式和刺吸式昆蟲都分泌唾液成分到寄主植物體內(nèi)調(diào)控免疫反應(yīng)，由于唾液成分中的激發(fā)子誘發(fā)的免疫行為提高植物的抗性，而效應(yīng)子則在抑制植物免疫中起著決定性的作用，決定著昆蟲的寄主范圍以及能否成功獲得所需的養(yǎng)分(Shah and Walling, 2017)。

3 昆蟲效應(yīng)子的研究進展及作用機制

昆蟲取食或產(chǎn)卵時分泌到植物體內(nèi)抑制寄主免疫防御反應(yīng)或影響生理生化，有利于昆蟲取食的蛋白質(zhì)、多肽或其他物質(zhì)統(tǒng)稱為效應(yīng)子。此定義類似于植物病原菌效應(yīng)子(Hogenhoutetal., 2009)，但不同之處在于昆蟲效應(yīng)子是昆蟲取食或產(chǎn)卵時分泌到植物體內(nèi)的，而植物病原菌效應(yīng)子是通過分泌系統(tǒng)或吸器分泌到植物體內(nèi)的。最早報道的昆蟲效應(yīng)子是從咀嚼式口器昆蟲美洲棉鈴蟲Helicoverpazea中鑒定出來的葡萄糖氧化酶，它能通過抑制植物傷口誘發(fā)的尼古丁積累而干擾煙草的免疫反應(yīng)(Musseretal., 2002)。刺吸式昆蟲豌豆蚜Acyrthosiphonpisum中的C002效應(yīng)子定位于主唾液腺的分泌細(xì)胞，該蛋白也能在蚜蟲取食后的蠶豆葉片中檢測到，其編碼基因沉默后蚜蟲在韌皮部的停留時間縮短(Muttietal., 2008)。近年來，效應(yīng)子的鑒定及抑制寄主免疫機制的研究成了植物-昆蟲互作研究領(lǐng)域的重點和熱點。截止到目前為止，已經(jīng)發(fā)表了相當(dāng)數(shù)量的昆蟲效應(yīng)子并對其功能進行了深入研究，本文將已報道的昆蟲效應(yīng)子及其功能歸納總結(jié)為表1，并分別在下文進行討論。葉螨不屬于昆蟲，但取食行為類似于刺吸式昆蟲，因此本文中也包括了二斑葉螨Tetranychusurticae和伊氏葉螨T.evansi效應(yīng)子的研究進展。

3.1 影響植物早期防御信號的昆蟲效應(yīng)子

鈣信號是植物早期防御的另一條信號通路，昆蟲取食植物時在取食部位造成的傷口會誘發(fā)植物胞內(nèi)鈣離子濃度的快速升高，并從傷口運輸?shù)胶Y管內(nèi)腔而阻塞篩管，從而阻礙昆蟲汲取篩管細(xì)胞內(nèi)流動的汁液(Vincentetal., 2017)。為了順利取食，植食性昆蟲會從唾液分泌鈣離子結(jié)合蛋白，與流動的鈣離子結(jié)合，抑制篩管的阻塞而促進取食(Willetal., 2007)。研究發(fā)現(xiàn)黑尾葉蟬Nephotettixcincticeps的NcSP84具有EF-hand Ca2+結(jié)合結(jié)構(gòu)域，在黑尾葉蟬取食后的水稻篩管汁液中檢測到了NcSP84蛋白，因此推測NcSP84可能分泌到韌皮部篩管中結(jié)合流動的鈣離子，防止篩管阻塞(Hattorietal., 2012)。褐飛虱的ANX-like 5具有1～3個annexin repeats的鈣離子結(jié)合結(jié)構(gòu)域，沉默其編碼基因顯著地影響了昆蟲在韌皮部和木質(zhì)部汁液吸取時間，減少了蜜露的分泌，因此推測效應(yīng)子ANX-like 5的功能是結(jié)合韌皮部滲透的鈣離子(Huangetal., 2016)。鈣離子不僅能夠阻塞篩管，還是重要的二級信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子，調(diào)控免疫反應(yīng)(徐麗萍等, 2018)。研究表明褐飛虱的 NlSEF1蛋白具有EF-hand Ca2+結(jié)合活性，取食時通過分泌到水稻體內(nèi)與Ca2+結(jié)合從而抑制PTI通路中的鈣離子防御信號(Yeetal., 2017)。

MAPK級聯(lián)通路也是植物應(yīng)對昆蟲取食的重要防御信號之一，在抗蟲反應(yīng)中發(fā)揮著極其重要的作用(徐麗萍等, 2018)。煙粉虱的Bsp9效應(yīng)子能與擬南芥MAPK信號通路中的關(guān)鍵調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子WRKY33進行互作，抑制MAPK免疫通路減弱擬南芥的抗蟲反應(yīng)(Wang Netal., 2019)。

3.2 調(diào)控激素通路的昆蟲效應(yīng)子

現(xiàn)有報道的干擾激素信號通路的昆蟲效應(yīng)子中，作用機制研究的相對比較清楚的有豌豆蚜的Armet、煙粉虱的Bt56和棉鈴蟲的HARP1(H.armigeraR-like protein 1)。豌豆蚜取食蠶豆時會分泌水狀唾液中的Armet到蠶豆韌皮部汁液中(Wangetal., 2015a)。在煙草和蒺藜苜蓿中瞬時表達Armet能夠激活植物的MAPK和水楊酸(salicylic acid, SA)通路，進一步的機制分析表明Armet通過調(diào)控?zé)煵葜械腟AMT和SABP2來促進SA含量的積累抑制JA通路(Cuietal., 2019)。煙粉虱分泌小分子量蛋白Bt56到植物中去促進取食，在煙草中過表達Bt56激發(fā)SA信號通路，其作用機制為Bt56直接與煙草的KNOTTED 1-like homeobox transcription factor NTH202互作來誘導(dǎo)SA的積累(Xuetal., 2019)。報道的咀嚼式口器昆蟲中效應(yīng)子較少，2019年鑒定到棉鈴蟲口腔分泌物中一個毒液類似蛋白HARP1，它在植物細(xì)胞中與JAZ蛋白互作，阻止COI1-JAZ引起的JAZ的降解從而抑制JA誘導(dǎo)的免疫反應(yīng)(Chenetal., 2019)。最近的研究還發(fā)現(xiàn)禾谷縊管蚜Rhopalosiphumpadi的Rp1能抑制JA和SA信號通路(Escudero-Martinezetal., 2020)，而二斑葉螨的Te28, Te84, Tu28和Tu84抑制SA免疫通路(Villarroeletal., 2016)，但這些基因抑制激素通路的具體機制尚不明確。

3.3 其他作用機制的昆蟲效應(yīng)子

植食性昆蟲需要穿透植物的細(xì)胞壁到達韌皮部去汲取汁液，為了穿越這層物理屏障，昆蟲會分泌大量酶類效應(yīng)子如纖維素酶(endo-β-1,4-glucanase)和果膠酶等降解細(xì)胞壁成分促進取食。褐飛虱的纖維素酶NlEG1能降解水稻細(xì)胞壁中的纖維素，協(xié)助口針順利到達韌皮部汲取汁液(Jietal., 2017)。昆蟲效應(yīng)子也可以調(diào)控植物的代謝通路，如褐飛虱的碳酸酐酶(carbonic anhydrase)參與植物的二氧化碳代謝(Huangetal., 2016)，豆蚜Aphiscraccivora的AcDCXR基因編碼一個脫氫酶/還原酶(dehydrogenase/reductase)，參與植物碳水化合物代謝過程 (MacWilliamsetal., 2020)。昆蟲取食植物時，取食部位附近的破損植物細(xì)胞會釋放出DNA誘發(fā)植物的免疫反應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)，灰粉虱Laodelphaxstriatellus從唾液腺分泌DNase II到寄主受傷部位，降解受傷植物釋放的游離DNA來抑制其免疫促進昆蟲的取食(Huangetal., 2019a)。昆蟲效應(yīng)子可以參與植物囊泡介導(dǎo)的運輸過程來調(diào)控寄主的免疫，例如桃蚜Myzuspersicae的Mp1與寄主植物的液泡蛋白分選相關(guān)蛋白52(vacuolar protein sorting-associated protein 52, VPS52)相互作用，VPS52是GARP(Golgi-associated retrograde protein)復(fù)合體的一個組分，負(fù)責(zé)內(nèi)涵體和高爾基體反面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)間的運輸(Rodriguezetal., 2017)。

昆蟲效應(yīng)子也可以通過靶向植物的免疫重要節(jié)點因子，比如桃蚜的Mp64效應(yīng)子通過靶向植物免疫調(diào)控因子SIZ1來抑制植物的抗性(Liuetal., 2020)。SIZ1是一個SUMO E3連接酶能夠調(diào)節(jié)SA介導(dǎo)的免疫和EDS1/PAD4介導(dǎo)的抗性基因信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，也是植物病原菌和線蟲的調(diào)控靶標(biāo)，因此作者推測SIZ1是多種植物寄生物的免疫調(diào)控節(jié)點。小麥癭蚊的SSGP-71效應(yīng)子是一個E3泛素連接酶模擬蛋白，在小麥中劫持蛋白酶體阻斷基礎(chǔ)免疫(Zhaoetal., 2015)。脊椎動物和昆蟲也有一類進化上高度保守的免疫調(diào)控因子，典型的例子是巨噬細(xì)胞遷移抑制因子(macrophage migration inhibitory factor, MIF)，線蟲和蜱等利用MIF去調(diào)控寄主植物的免疫反應(yīng)(Bowenetal., 2010)；豌豆蚜的唾液腺中也存在一個效應(yīng)子MIF1，在煙草中表達MIF1基因能抑制植物免疫相關(guān)基因的表達、胼胝質(zhì)的積累和過敏性細(xì)胞死亡(Naessensetal., 2015)。其他效應(yīng)子還有桃蚜的Mp55能夠抑制植物胼胝質(zhì)和過氧化氫積累等免疫反應(yīng)(Elzingaetal., 2014)。馬鈴薯長管蚜效應(yīng)子Me10，在煙草和番茄中表達后能夠增強取食轉(zhuǎn)基因植物后的馬鈴薯長管蚜和桃蚜的繁殖力(Atamianetal., 2013)，在煙草和馬鈴薯的互作蛋白是TFT7，但Me10-TFT7復(fù)合物調(diào)控的下游信號通路并不清楚(Chaudharyetal., 2019)。小麥癭蚊Mayetioladestruotor的NDK效應(yīng)子編碼核苷二磷酸激酶，此效應(yīng)子可能在取食部位抑制ATP含量的升高，通過調(diào)控ATP介導(dǎo)的免疫反應(yīng)來促進取食(Wangetal., 2018)。

3.4 小分子RNA效應(yīng)子和多作用功能的效應(yīng)子

研究還發(fā)現(xiàn)昆蟲效應(yīng)子不僅是蛋白質(zhì)或酶，也可以是小分子RNA，如煙粉虱取食時分泌小RNA到植物汁液中(van Kleeffetal., 2016)。桃蚜將Ya長鏈非編碼RNA轉(zhuǎn)移到植物體內(nèi)，有利于蚜蟲的繁殖(Chenetal., 2020)。還有一部分效應(yīng)子則巧妙地進化出兩個不同的結(jié)構(gòu)域，既可以作為毒性基因誘發(fā)植物免疫也能抑制寄主的免疫防衛(wèi)反應(yīng)促進昆蟲的取食行為，例如桃蚜的Mp10蛋白在煙草中表達后激活水楊酸和茉莉酸信號通路，誘導(dǎo)植物細(xì)胞局部死亡從而激發(fā)植物抗性，同時也能抑制植物病原菌PAMP flg22誘發(fā)的活性氧爆發(fā)(Bosetal., 2010; Rodriguezetal., 2014; Mugfordetal., 2016)。

對昆蟲效應(yīng)子的研究還發(fā)現(xiàn)同一個效應(yīng)子在不同的寄主植物上發(fā)揮不同的生物學(xué)功能，例如美洲棉鈴蟲唾液腺分泌的葡萄糖氧化酶抑制煙草物理傷口誘發(fā)的尼古丁產(chǎn)生，作為效應(yīng)子抑制免疫(Musseretal., 2002, 2005)，但在番茄中作為激發(fā)子誘發(fā)JA的積累和晚期免疫相關(guān)基因例如蛋白酶抑制劑基因(Pin2)的表達(Tianetal., 2012)。馬鈴薯長管蚜的一個谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶(glutathione-S-transferase, GST)Me47在番茄中表達后能夠提高蚜蟲的繁殖力，誘導(dǎo)植物的PTI反應(yīng)，而在擬南芥中不誘導(dǎo)植物免疫(Kettles and Kaloshian, 2016)。因此，這些研究結(jié)果表明昆蟲效應(yīng)子存在功能多樣性和寄主適應(yīng)性特異性。

3.5 機制不明的候選效應(yīng)子

除了已知功能的效應(yīng)子，近年來通過對昆蟲分泌唾液蛋白組和唾液腺轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析還篩選出了大量的候選效應(yīng)子，例如桃蚜M.persicae的Mp59, Mp60, Mp61, Mp62和Mp63(Elzingaetal., 2014)和二斑葉螨T.urticae的Te128, Te19, Tu128, Tu19和Tu90(Villarroeletal., 2016)。并嘗試對這些候選效應(yīng)子的功能進行解析，如桃蚜的MpPIntO1，被定位于蚜蟲取食部位的唾液鞘，包圍著口針(Mugfordetal., 2016)。褐飛虱的Salivap-3和Salivap-4是膠狀唾液的重要組成部分(Huangetal., 2016)。研究還發(fā)現(xiàn)，豌豆蚜的血管緊張素轉(zhuǎn)換酶(angiotensin-converting enzyme) ACE1和ACE2在蚜蟲-植物互作中發(fā)揮著重要作用，沉默這些基因后影響蚜蟲在植物里的取食行為(Wangetal., 2015b)。煙粉虱Bemisiatabaci的漆酶LAC1也參與了煙粉虱與植物的互作(Yangetal., 2017)。黑尾葉蟬N.cincticeps的NcSP75和NcLac3是昆蟲在韌皮部取食所必需的(Matsumoto and Hattori, 2018; Matsumoto and Hattori, 2019)。最近，從柑橘木虱Diaphorinacitri中篩選到DCEF28, DCEF32, DCEF33和DCEF35，沉默這些候選效應(yīng)子的基因后也會影響昆蟲在寄主植物上的存活和取食(Pachecoetal., 2020)。但以上研究未能證明這些唾液蛋白是昆蟲取食時分泌到植物體內(nèi)的，并且在植物中的作用機制也未見報道，因此是一類重要的潛在效應(yīng)子。

4 昆蟲激發(fā)子及誘導(dǎo)的植物免疫反應(yīng)

昆蟲口腔分泌物、產(chǎn)卵液、沉積的糞便或分泌的蜜露中蛋白質(zhì)、多肽或其他物質(zhì)能被植物細(xì)胞質(zhì)膜上的PRRs識別，激活防御信號通路的物質(zhì)統(tǒng)稱為激發(fā)子(Furstenberg-Haggetal., 2013; Aljbory and Chen, 2018; Warietal., 2019)。昆蟲激發(fā)子與植物病原菌的激發(fā)子功能類似，都能被植物細(xì)胞質(zhì)膜上的PRRs識別，激活植物的免疫防御反應(yīng)增強寄主的抵抗力。前期已有文章對昆蟲取食產(chǎn)生的DAMP (Schmelz, 2015; Erb and Reymond, 2019; Chen and Mao, 2020)和咀嚼式口器昆蟲相關(guān)分子模式已經(jīng)進行了系統(tǒng)綜述(禹海鑫等, 2015; 張月白和婁永根, 2020)。本文進一步更新了昆蟲激發(fā)子的最新研究進展，將發(fā)表的激發(fā)子歸納到表1中。目前已鑒定到的多種激發(fā)子成分主要為脂肪酸類、蛋白和酶類、多肽等(Uemura and Arimura, 2019)。其中研究最早且較詳盡的一類是昆蟲口腔分泌物中廣泛存在的脂肪酸-氨基酸共軛物(fatty acid-amino acid conjugate, FAC)，主要包括從甜菜夜蛾Spodopteraexigua幼蟲和南美沙蝗Schistocercaamericana唾液中鑒定出來的激發(fā)子volicitin和caeliferin，它們都能誘導(dǎo)玉米幼苗釋放特殊的揮發(fā)性萜類物質(zhì)來抵抗昆蟲取食(Albornetal., 1997, 2007; Maliketal., 2020)。植食性昆蟲口腔分泌物中的酶類如美洲棉鈴蟲的葡萄糖氧化酶(Tianetal., 2012)、大菜粉蝶Pierisbrassicae的β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase)(Mattiaccietal., 1995)、沙漠蝗Schistocercagregaria口腔的脂酶(Sch?feretal., 2011)和草地貪夜蛾Spodopterafrugiperda的磷脂酶C(Acevedoetal., 2018)也是植物早期免疫信號的激發(fā)子，上述酶類通過誘導(dǎo)植物細(xì)胞胞內(nèi)Ca2+濃度的升高、MAPK通路的激活以及H2O2、乙烯(ethylene, ET)和茉莉酸(jasmonic acid, JA)等信號物質(zhì)的合成或者釋放揮發(fā)性物質(zhì)等來啟動植物防御反應(yīng)。研究還發(fā)現(xiàn)，草地貪夜蛾OS 中存在來自寄主植物葉綠體ATP合成酶 γ 亞基的一段序列，該肽段經(jīng)內(nèi)部二硫鍵的連接形成植物能夠識別的激發(fā)子 inceptin，誘導(dǎo)防御相關(guān)激素茉莉酸和乙烯等的產(chǎn)生(Schmelzetal., 2006)。

對刺吸式口器昆蟲激發(fā)子的研究尚處于初期階段，麥長管蚜Sitobionavenae和麥二叉蚜Schizaphisgraminum唾液中的多酚氧化酶(polyphenol oxidase)能夠誘導(dǎo)茉莉酸和萜(terpene)通路中的關(guān)鍵基因的表達，因此多酚氧化酶誘導(dǎo)了小麥的免疫防御反應(yīng)(Maetal., 2010)。桃蚜的Mp42和Mp56-58蛋白都能降低桃蚜的繁殖力，激活本氏煙Nicotianabenthamiana的免疫反應(yīng)，但具體作用機制不明(Elzingaetal., 2014; Rodriguezetal., 2014)。褐飛虱唾液中鑒定到一個mucin類似物蛋白(NlMLP)，可以通過唾液分泌到植物韌皮部，能夠誘導(dǎo)植物細(xì)胞的死亡，激發(fā)水稻防御基因的上調(diào)表達和誘導(dǎo)胼胝質(zhì)積累，因此證明是個激發(fā)子(Shangguanetal., 2018)。褐飛虱的NI12, NI16, NI28, NI32, NI40和NI43也能誘導(dǎo)免疫相關(guān)基因的上調(diào)表達和胼胝質(zhì)的積累(Raoetal., 2019)。褐飛虱的NISP1效應(yīng)子能誘導(dǎo)水稻的細(xì)胞死亡、胼胝質(zhì)的積累和其他免疫相關(guān)基因的表達(Shangguanetal., 2018; Huangetal., 2020)。但以上報道的激發(fā)子誘導(dǎo)植物免疫的機制及其受體并不清楚，最新研究發(fā)現(xiàn)桃蚜的一個半胱氨酸蛋白酶(cysteine protease)蛋白CathB3在煙草韌皮部與胞質(zhì)EDR1-like(enhanced disease resistance 1-like)激酶互作，激發(fā)活性氧的積累，誘發(fā)煙草免疫提高抗蟲性(Guoetal., 2020)。

5 小結(jié)與展望

在長期的植物-昆蟲協(xié)同進化過程中，植物進化出多層次的防御機制抵御昆蟲的取食和攻擊，其中一道主要防線是由位于細(xì)胞質(zhì)膜上的PRRs識別昆蟲分泌或產(chǎn)卵等釋放的HAMP/激發(fā)子而啟動的PTI。近幾年來，咀嚼式口器昆蟲相關(guān)分子模式的研究已經(jīng)取得了卓越進展，已經(jīng)報道的HAMPs有昆蟲口腔OS的inceptin、volicitin、caeliferin、葡萄糖氧化酶、脂酶、β-葡萄糖苷酶、磷脂酶C和β-半乳糖呋喃多糖等，并且隨著褐飛虱NlMLP和桃蚜CathB3的相繼發(fā)表，刺吸式口器害蟲激發(fā)子的研究也取得了突破(表1)。作為反防御策略，昆蟲從口腔分泌一系列效應(yīng)子分別靶向植物PTI通路中的不同組分，通過抑制或操控植物的免疫反應(yīng)促進取食?，F(xiàn)已報道的已知功能的昆蟲效應(yīng)子有影響植物早期信號的綠盲蝽Al6和馬鈴薯長管蚜的Btfer1，都能抑制活性氧爆發(fā)(Suetal., 2019; Dongetal., 2020)。黑尾葉蟬的NcSP84和褐飛虱的NlSEF1通過結(jié)合游離的鈣離子防止篩管的阻塞或抑制鈣信號(Hattorietal., 2012; Yeetal., 2017)。煙粉虱的Bsp9與WRKY33互作抑制MAPK通路(Wang Netal., 2019)。還有其他作用機制的褐飛虱N1EG1和碳酸酐酶(Huangetal., 2016; Jietal., 2017)等以及小分子RNA效應(yīng)子(van Kleeffetal., 2016; Chenetal., 2020)。

縱觀昆蟲效應(yīng)子和激發(fā)子的最新研究進展，同時也給我們帶來了一些值得思考的科學(xué)問題：(1)昆蟲效應(yīng)子的分泌特性是不是其功能發(fā)揮所必需的？現(xiàn)有的研究揭示了許多昆蟲效應(yīng)子沒有典型的分泌信號肽(Kaloshian and Walling, 2016)，例如50%的褐飛虱唾液腺蛋白基因不含信號肽序列(Huangetal., 2019b)。(2)昆蟲效應(yīng)子在寄主和非寄主植物上的作用機制是不是有所不同？甚至在不同的植物上功能不同？前期研究表明同一效應(yīng)子在不同植物上的功能不同，例如美洲棉鈴蟲的葡萄糖氧化酶抑制煙草的尼古丁產(chǎn)生，抑制免疫(Musseretal., 2002, 2005)，而在番茄中作為激發(fā)子誘發(fā)JA爆發(fā)和晚期免疫相關(guān)基因的表達(Tianetal., 2012)。馬鈴薯長管蚜的Me47誘導(dǎo)番茄的PTI反應(yīng)，但不激發(fā)擬南芥的免疫反應(yīng)(Kettles and Kaloshian, 2016)。因此推測這些效應(yīng)子可能與昆蟲在寄主植物上的適應(yīng)性進化有關(guān)。(3)同一效應(yīng)子具有多種功能。前期報道表明某些昆蟲效應(yīng)子是把雙刃劍，既能抑制寄主植物的免疫通路，同時也能誘發(fā)植物的防衛(wèi)反應(yīng)，例如桃蚜的Mp10蛋白，在煙草中表達后激活SA和JA信號通路，誘導(dǎo)植物細(xì)胞局部死亡從而激發(fā)植物抗性，同時也能抑制植物病原菌PAMP flg22誘發(fā)的活性氧爆發(fā)(Bosetal., 2010; Rodriguezetal., 2014; Mugfordetal., 2016)。綠盲蝽的Al6蛋白既能抑制活性氧爆發(fā)同時也能誘導(dǎo)激素茉莉酸和水楊酸等的合成(Dongetal., 2020)。(4)昆蟲取食不同植物時分泌組分不同的唾液蛋白，并且飼喂人工飼料的昆蟲也分泌不同組分的唾液(Kaloshian and Walling, 2016)，例如ACE1和ACE2效應(yīng)子在蚜蟲取食植物時有貢獻，但對取食人工飼料無影響(Wangetal., 2015b; Boulainetal., 2018)。這說明昆蟲會通過唾液效應(yīng)子的快速進化來適應(yīng)新的寄主植物。(5)昆蟲無毒效應(yīng)子是昆蟲效應(yīng)子研究領(lǐng)域的薄弱之處，現(xiàn)有報道的昆蟲無毒效應(yīng)子是小麥癭蚊vH13, vH6和vH9(Kaloshian and Walling, 2016)，并發(fā)表了少數(shù)抵抗昆蟲的植物R蛋白，如馬鈴薯的Mi-1.2、水稻中抗褐飛虱蛋白Bph14和Bph9以及甜瓜Vat位點編碼一個CC-NBS-LRR蛋白(Jiangetal., 2019; Duetal., 2020)，但還沒有成對的無毒效應(yīng)子和植物R蛋白被鑒定出來。(6)昆蟲激發(fā)子的植物模式識別受體的研究尚處于初期階段，現(xiàn)僅有報道的PRR是inceptin的植物識別受體INR(Steinbrenneretal., 2020)。闡明上述科學(xué)問題，在理論上將能揭示植食性昆蟲與寄主植物的互作機制和協(xié)同進化規(guī)律，對于指導(dǎo)作物蟲害綠色防治和農(nóng)藥的減量增效具有重要意義。