番茄突变体介导的烟粉虱与黄化曲叶病毒对CO2与O3浓度升高的响应机制

Elevation in atmospheric CO2 and O3 concentrations as the main features during global climate change has attracted high international attention. In this study, we tend to use the open top chamber (OTC) facilities to monitor the elevated CO2 and O3 atmospheric conditions in the field. The response of an important invasive pest, whitefly Bemisia tabaci Gennadius biotype B and its transmitted virus-Tomato Yellow Leaf Curl Virus to elevated CO2 and O3 will be examined in this experiment. Two lines of tomatoes including salicylate-deficient and jasmonate-deficient transgenic tomatoes, which are known to be related to plant resistance, will be employed as the host plants. The plant resistance-related gene expression, phytohormone-mediated resistance signaling pathway, the virus transmission behavior of whitefly and the occurance of Tomato Yellow Leaf Curl Virus will be evaluated under elevated CO2 and O3 concentrations in this study. Combined evaluations of the whitefly transmission ability and the plant response to whitefly and virus challenge, we could confirm the virus transmission characteristics of whitefly and test the predictions about the relative effect of jasmoate/salicylate-mediated pathways and their cross-talk on plant virus resistance under elevated CO2 and O3 concentrations. Furthermore, we could disclose the mechanisms of tomato mutants-whitefly- Tomato Yellow Leaf curl Virus system in response to elevated CO2 and O3 concentrations. Our findings could provide scientific basis for the ecological control of whitefly and tomato viruses under projected rising CO2 and O3 conditions in the future.

以大气CO2浓度与O3浓度升高为主要特征的全球气候变化已成为国际关注的焦点。本项目拟利用室外开顶式气室（open top chamber，OTC）模拟大气CO2与O3浓度升高环境，以重要入侵害虫Q型烟粉虱及其所传播的番茄黄化曲叶病毒为研究对象，以水杨酸与茉莉酸这两种与植物抗性相关的番茄突变体为介导体，研究番茄诱导防御途径的基因表达、植物激素介导的抗性途径、Q型烟粉虱的传毒行为、番茄黄化曲叶病毒的发生对CO2与O3浓度升高的响应特征，明确未来CO2和O3浓度升高背景下烟粉虱传播病毒能力的变化规律，阐明番茄茉莉酸与水杨酸防御途径以及这两种途径的交互影响在介导病虫抗性中的作用，揭示 "番茄突变体－烟粉虱－番茄黄化曲叶病毒"系统对CO2与O3浓度升高的响应特征及其作用机制，为未来气候变化背景下烟粉虱及其所传播的病毒病综合治理提供重要的科学依据。

本项目紧密围绕着项目的总体目标，于2014-2017年在北京小汤山“昆虫对大气CO2浓度、O3浓度升高响应”的研究基地，利用我们特有的24个室外开顶式气室（OTC），通过模拟大气CO2、O3浓度升高环境，以Q型烟粉虱及其所传播的番茄黄化曲叶病毒为研究对象，利用水杨酸突变体（SA）、茉莉酸（JA）和脱落酸突变体（ABA），研究了CO2、O3浓度升高下番茄诱导防御途径的基因表达、植物激素介导的抗性途径、Q型烟粉虱的传毒行为、番茄黄化曲叶病毒的发生等特征。.研究发现，在对照CO2浓度下，TYLCV病毒危害后番茄体内诱导防御的两种关键植物激素水杨酸（SA）和茉莉酸/脱落酸 (JA/ABA) 表现出相互拮抗关系（即一方上升，另一方下降）；但在CO2浓度升高下，TYLCV病毒危害却同时增加了番茄体内三种激素（SA、JA和ABA）的水平, 表现出协同作用; CO2浓度升高降低了抗性品种番茄（Mi）对烟粉虱和TYLCV的抗性，增加了烟粉虱的获毒、传毒能力和繁殖率，可能导致抗性品种番茄（Mi）上烟粉虱及其所传播的TYLCV的危害加重。进一步研究揭示，TYLCV病毒将主导烟粉虱去选择有利于病毒扩散的番茄,且番茄也对烟粉虱分泌唾液传播病毒有利；而获毒后的番茄改变了最初以防御病毒为主的SA激活和 JA抑制,成为以防御烟粉虱为害为主, 抑制烟粉虱取食。且CO2 升高后增加了番茄对后续烟粉虱取食的抑制作用。.O3 浓度升高下， Q型与B型烟粉虱的寄主选择、取食行为和种群适合度响应不同，从而影响其获毒TYLCV能力，并且这一过程受到植物脱落酸信号的调控, 其中，O3浓度升高激活植物脱落酸信号，从而诱导胼胝质积累，不利于B型烟粉虱适合度，而引起的植物叶片早衰受乙烯信号调控，增加Q型烟粉虱种群数量。高O3 浓度还改变了烟粉虱体内和体表微生物，提高了烟粉虱适合度，降低了烟粉虱对病原真菌的免疫力，增加了对黄化曲叶病毒有传毒能力。进一步分析了番茄突变体介导的烟粉虱及其丽蚜小蜂化学联系对O3 浓度升高的响应机制，发现O3 浓度增加下，番茄挥发物的释放量将增加，不利于烟粉虱取食危害，而利于吸引了天敌丽蚜小蜂，且O3 浓度升高及烟粉虱虫害主要是通过茉莉酸 JA 途径诱导产生的柠檬烯及反-2-己烯醇等番茄挥发物组分对丽蚜小蜂选择行为产生了强烈的吸引作用。