東北地理所在線蟲響應化學信號調控機制方面取得重要進展
大豆孢囊線蟲（Heterodera glycines）病是制約大豆產量的重要病害之一，全球每年因大豆孢囊線蟲病造成的經濟損失高達數十億美元。該病害在所有大豆種植區均有發生，包括鹽堿區種植的大豆。線蟲在土壤中能夠識別植物根系及其釋放的化學信號而定位寄主進行有效侵染，通過線蟲對寄主和環境信號識別及響應的調控機制研究，可以有效切斷寄主吸引線蟲的信號，為研發安全高效的線蟲防控策略提供依據。
東北地理所農田有害生物控制學科組研究人員在前期工作中明確了大豆孢囊線蟲對酸性pH、堿性pH、鹽和氨基酸的趨化性及其高度適應性（Hua 等，2020，Plant and Soil；Jiang 等，2022，Nematology），然而大豆孢囊線蟲在適應酸堿鹽環境過程中的行為變化及其分子調控機制尚不清楚。基于此，該團隊在植物寄生線蟲上率先利用WormLab行為學追蹤分析技術和三代全長轉錄組測序技術（Oxford Nanopore Technology, ONT），開展了大豆孢囊線蟲響應酸堿鹽信號的調控機制研究。
WormLab系統可實時追蹤定量分析線蟲行為，精準捕捉微小動物行為變化。該研究通過大豆孢囊線蟲二齡幼蟲對極端pH和適宜的趨化酸性和堿性pH、NaCl鹽溶液脅迫下的行為學分析，表明線蟲對不同非生物環境的行為學響應存在差異（圖1）。進一步對經pH和NaCl溶液處理后的18個線蟲樣本進行三代全長轉錄組測序分析，以期從轉錄或轉錄后修飾水平解析線蟲響應外界信號的調控機理，結果鑒定得到3,972個新基因和29,529個新轉錄本。轉錄本結構分析表明：可變剪接（AS）、可變多聚腺苷酸化（APA）、融合轉錄本等結構與對照相比發生了顯著的變化，說明這些轉錄后修飾參與了線蟲行為的調控。通過對差異表達基因GO（基因本體論）和KEGG（京都基因與基因組百科全書）富集分析，結果表明跨膜受體、離子通道和鈣離子轉運蛋白相關的信號通路被激活，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蛋白偶聯受體GPCR，包括化學受體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）和鳥苷酸環化酶受體GCY-18能夠調控離子通道。線蟲受體激活與生長發育受到抑制說明線蟲在最佳趨化狀態下或者極端環境下通過調整不同的代謝途徑來維持自身能量的平衡，保持細胞穩態，維持生存。在酸堿鹽條件下線蟲的反應和存活機制也證實了大豆孢囊線蟲能在酸堿鹽土壤中發生的原因。結合差異表達基因和蛋白與蛋白互作分析構建了大豆孢囊線蟲響應pH和鹽離子刺激的細胞網絡調控模型（圖2）。本研究結果不僅豐富了線蟲對化學信號反應機制的知識，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。由于寄生線蟲的保守性，由此推測大豆孢囊線蟲可以作為一個模式寄生線蟲研究線蟲化感信號識別和反應機制，這些鑒定的受體也是開發藥物防治人畜寄生線蟲的潛在靶標，研究結果具有重要的科學意義和潛在的應用價值。
圖1 大豆孢囊線蟲響應pH和鹽溶液刺激的行為學特征
圖2 調控大豆孢囊線蟲響應pH和NaCl的細胞模型
相關研究成果近期發表在國際期刊《Journal of Agricultural & Food Chemistry》上。農田有害生物控制學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。研究工作得到中國科學院戰略性先導專項和國家自然科學基金項目聯合資助。
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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