摘要：8月15日，华中农业大学农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室微生物农药创新团队孙明教授课题组在国际期刊Science Advances上发表了题为“Large-scale protein interactome reveals lineage-specifi
8月15日，华中农业大学农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室微生物农药创新团队孙明教授课题组在国际期刊Science Advances上发表了题为“Large-scale protein interactome reveals lineage-specific genes driving plant-parasitic nematode adaptive innovations”的研究论文。这是该团队在植物线虫学领域继破译根结线虫基因组进化机制后取得的又一重大突破。该研究聚焦植物线虫谱系特有基因，并构建了以这些特有基因为核心的蛋白互作网络，解析了植物线虫感知寄主信号的分子机制，鉴定出参与线虫寄生的关键基因。该成果对理解植物线虫寄生适应机制及开发线虫绿色防控策略具有重要意义。
植物线虫是一类能寄生植物并造成植物病症的病原线虫，对全球农业生产危害巨大，每年造成的直接经济损失高达上千亿美元。在我国，植物线虫病害日趋严重，逐渐上升为第二大植物病害。为了适应寄生生活，植物线虫进化出了一系列创新性状，包括取食器官口针、膨大的食道腺、定位寄主的趋化性等。然而，决定这些适应性创新性状背后的遗传基础和分子机制目前尚不清楚。
科学界普遍认为，谱系特有基因是物种在进化过程中获得的新的遗传物质，其功能与物种独特的生物学特征及环境适应性密切关联，这在模式物种相关研究中得到了广泛证实。相比而言，植物线虫谱系特有基因及其生物功能的研究鲜有报道。对此，团队首先对五种代表性线虫（四种重要的植物线虫+自由生活的秀丽隐杆线虫）进行了比较基因组分析，鉴定到340个植物线虫谱系特有基因家族，这些基因家族成员在四种植物线虫间保守存在，但不存在于秀丽隐杆线虫中。
图一 植物线虫谱系特有基因鉴定
团队选择以腐烂茎线虫(D. destructor)中的431个谱系特有基因编码蛋白为研究对象，通过酵母双杂交技术和生物信息学手段构建了腐烂茎线虫全基因组水平蛋白互作网络，进而解析了植物线虫谱系特有基因的功能。该网络涉及11843个蛋白互作对和3260个腐烂茎线虫蛋白（包含311个植物线虫谱系特有蛋白）。网络拓扑和功能富集分析揭示了腐烂茎线虫体内进化保守的蛋白复合物和谱系特有蛋白功能模块，使得306个谱系特有基因的功能得到初步注释；同时发现了一个非常有趣的现象：13个谱系特有蛋白功能模块紧密连接形成一个大的“超级功能模块”，其富集了62个膜蛋白。
图二 腐烂茎线虫全基因组水平蛋白互作网络
上述结果显示，该“超级功能模块”可能参与调控植物线虫感知寄主信号的趋化行为。由此，通过RNAi对该“超级功能模块”中所有（143个）植物线虫谱系特有基因进行功能验证，发现13个基因（包含11个膜蛋白基因）沉默导致线虫对寄主信号的趋化性显著降低。
图三 腐烂茎线虫趋化寄主植物的分子网络和信号通路
为了进一步了解该“超级功能模块”是如何调控线虫成功定位寄主，团队对腐烂茎线虫全基因组水平蛋白互作网络进行了深入分析。根据线虫领域已知的化感信号通路知识背景，从该蛋白互作网络中提取了腐烂茎线虫趋化子网络，并发现该趋化子网络与“超级功能模块”相关联；功能验证发现该趋化子网络中化感信号通路明星因子影响线虫定位寄主。基于这些发现，团队提出了线虫趋化寄主植物的信号转导模型：“超级功能模块”中的膜蛋白识别并结合植物信号，之后将信号传递到下游进化保守的化感信号通路，最终调控线虫的趋化行为；并指出植物线虫与自由生活线虫趋化性差异源于上游接收环境信号的受体，而不是下游信号级联，且植物线虫谱系特有膜蛋白很可能进化为线虫响应植物信号的特异性受体。
同时，团队利用RNAi技术调查了植物线虫谱系特有蛋白功能模块是否影响线虫寄生，发现这些模块中的多个谱系特有基因参与线虫对寄主的侵染。值得注意的是，在腐烂茎线虫和南方根结线虫中同时得到验证的谱系特有基因，在开发广谱的植物线虫防控策略方面具有潜在应用价值。
图四 调控植物线虫寄生的谱系特有基因
综上，研究团队在国际上发布了寄生线虫领域首张蛋白互作组图谱，揭示了植物线虫谱系特有基因是驱动线虫寄生适应性的遗传基础，解析了线虫趋化寄主植物的分子网络和信号通路，挖掘出多个调控线虫侵染能力的功能基因。该成果为研究植物线虫个体发育、适应性进化、侵染致病等机理提供了重要数据及信息，也为植物线虫防控提供了丰富的靶标基因资源；此外，该研究拓展了非模式物种生物学机制的探索思路，对其生物学现象的阐释具有开创性借鉴意义。
华中农业大学生命科学技术学院已毕业博士研究生黄国强为论文第一作者，孙明教授和彭东海教授为论文共同通讯作者，华中农业大学信息学院郑金水教授及墨西哥国立自治大学Alejandra Bravo教授和Mario Soberón教授为该研究提供了重要支持与指导。该研究受到国家自然科学基金区域创新联合重点项目、国家自然科学基金国际（地区）合作与交流项目、国家重点研发计划、湖北洪山实验室重大项目等项目的资助。
来源：仙女讲科学