水稻矮缩病毒突破介体叶蝉唾液腺释放屏障的传毒机理

Salivary gland escape barriers, is the last barriers blocking the circulation of persistent virus in insect vectors, serving as a crucial determinant of virus transmission by insects. To understand how plant virus overcomes salivary gland escape barriers for the transmission is of importance for plant disease control. Rice dwarf virus (RDV) is transmitted by the leafhopper in a persistent-propagative manner. Previous studies demonstrated that salivary cavity of intermittent-transmitted viruliferous leafhopper contains virions-packaging tubular structures and vesicles, suggesting RDV probably induce and exploit tubule structure assembled by viral nonstructural protein Pns10 or modified cellular vesicles to overcome salivary gland escape barriers for the transmission. In this project, we will utilize systems of culture cells and RNAi of leafhopper, and apply techniques of cell biology, molecular biology, immunofluorescence, electron transmission microscope, and so on, to analyze blocking efficiency of salivary gland escape barriers, and investigate the pathway and mechanism for RDV overcoming salivary gland escape barriers. We will also study the characteristics of RDV release from salivary glands and the existence of releasing threshold, to uncover the reason of leafhopper intermittently transmitting RDV on the level of traditional biology. The results will address the pathway of virus escaping from insect vectors, which will be beneficial to discuss novel strategies of plant disease controlling via blocking viral transmission by insect vectors.

唾液腺释放屏障是介体昆虫阻碍持久性病毒循回的最后一道“关卡”，是介体昆虫能否传播病毒的重要决定因素。揭示植物病毒如何克服昆虫唾液腺释放屏障，实现传毒，对病害控制有重要意义。水稻矮缩病毒（RDV）由介体黑尾叶蝉以持久增殖型方式传播。前期研究发现，在间歇性传毒的叶蝉唾液腔内有包裹病毒的管状结构或细胞囊泡，推测RDV可能诱导并利用病毒的非结构蛋白Pns10装配成的小管结构和改造的介体细胞囊泡突破叶蝉唾液腺释放屏障，导致传毒。本项目拟通过利用介体昆虫细胞培养体系和RNAi体系，应用免疫荧光、电镜、分子生物学等技术，解析叶蝉唾液腺阻碍病毒释放的屏障效率，研究RDV突破介体叶蝉唾液腺释放屏障的途径和机制；通过揭示RDV从唾液腺释放的特性和释放阈值的存在，阐明传统生物学上叶蝉间歇性传播RDV的机理。研究结果将明确病毒从昆虫释放的方式，有利于探讨通过阻断介体昆虫传毒的病害控制新策略。

目前在中国大陆流行的水稻病毒均由介体昆虫以持久增殖型方式传播。这些病毒通过取食进入介体昆虫体内进行增殖和循回，最后突破昆虫唾液腺屏障，伴随唾液释放至植物中。唾液腺屏障是昆虫阻碍病毒循回的最后一道“关卡”，是介体昆虫可否传播病毒的重要决定因素。揭示病毒如何克服昆虫唾液腺屏障，实现传毒，对病害控制有重要意义。本项目围绕水稻矮缩病毒(RDV)如何突破介体黑尾叶蝉的唾液腺屏障的科学问题展开研究。研究发现，黑尾叶蝉个体传播RDV有明显的间歇性，这种间歇性是由叶蝉唾液腺的病毒释放阈值所调控。进一步发现RDV在黑尾叶蝉唾液腺的侵染途径是病毒首先侵染III型腺泡，并在其中复制。大部分子代病毒向IV、V和VI型腺泡扩散，也有病毒依次向II和I型腺泡扩散，最终完成病毒对唾液腺的系统侵染。通过应用电镜、共聚焦技术，结合分子生物学、细胞生物学、传统病原生物学等手段，发现传毒期的叶蝉唾液腺内，病毒通过外壳蛋白P2与外泌体途径的Rab5蛋白特异性互作，搭载外泌体途径的囊泡。随后包裹病毒的囊泡发展成为包裹病毒的多重囊泡，通过与唾液腺顶端质膜的膜融合，以外吐的方式释放至贮存唾液的唾液腔。在叶蝉取食时，包裹病毒的外泌体伴随唾液释放到水稻中，完成病毒的水平传播。研究结果首次报道外泌体体内携带病毒跨界运输，也证明外泌体还是介导昆虫-植物的跨界传递生物信息的有效载体。还发现RDV编码Pns10管状结构包裹病毒进行扩散，是RDV突破介体唾液腺释放屏障的另一途径。相关研究结果在eLife、Frontiers in Microbiology 和Virus Research等国际期刊发表，共7篇论文。这些研究结果有助于明确病毒从昆虫释放的关键途径，为探讨通过阻断介体昆虫传毒的病害控制新策略奠定理论基础，为病害的绿色防控提供新途径。