植物病原-媒介昆虫互作：研究进展与展望

闫凤鸣

(河南农业大学植物保护学院, 郑州450002)

许多植物病原由昆虫传播，因而农林生产上病害的大流行往往是与媒介昆虫的暴发密切相关，如烟粉虱Bemisiatabaci传播的番茄黄化曲叶病毒(tomato yellow leaf curl virus, TYLCV)(Gilbertsonetal., 2015)、亚洲柑橘木虱Diaphorinacitri传播的柑橘黄龙病(Huanglongbing, HLB)病原细菌CandidatusLiberibacter spp. (马晓芳等, 2012)、松墨天牛Monochamusalternatus传播的松材线虫Bursaphelenchusxylophilus(Zhaoetal., 2016)等。防控这些病害的最有效措施是切断昆虫介体的传播过程。植物病原与介体昆虫关系的研究有助于找到防控介体传播病原的关键环节，因此已经成为热点研究领域。我国学者根据农林生产的需要，在植物病原-昆虫介体互作方面进行了很多基础和应用方面的研究工作，本专辑汇集了一些这方面的最新研究进展。

本文在概述植物病原与介体昆虫互作研究进展的基础上，重点介绍本专辑所涉及的研究内容，同时从生态和进化的角度对植物病原与介体昆虫互作研究中值得关注的研究方向进行了展望，供进行相关研究的同行参考。

1 植物病原-媒介昆虫互作研究概况

1.1 病毒-介体互作

约80%的植物病毒需要介体来传播。大部分植物病毒的介体是半翅目刺吸式口器昆虫，如蚜虫、粉虱、叶蝉、飞虱和木虱等，也包括缨翅目的蓟马。植物病毒的介体传播分为非持久性(non-persistent)、半持久性(semi-persistent)和持久性(persistent) 3种方式(施艳等, 2013)。这些传播方式主要依据病毒在介体体内的滞留时间、结合部位、运转途径等特性进行分类，传毒方式也与病毒在植物体内的存在部位和昆虫行为相关。非持久性病毒在介体中滞留时间很短，一般在几个小时以内，在昆虫口针前段内侧结合；而半持久性病毒在体内滞留几天甚至几周，结合部位在介体前肠(个别在口针)；非持久性和半持久性病毒一般在介体获毒后几秒或几分钟内就可被传播到寄主植物上；此外，它们都没有潜育期，不在介体内复制，不能垂直传播(传给子代)，蜕皮后就失去传毒能力(Ng and Zhou, 2015)。持久性病毒随植物汁液进入介体昆虫中肠，穿过中肠肠壁进入血淋巴，再进入唾液腺，随唾液分泌传播到植物细胞内。持久性病毒包括循回型(circulative)和循回-扩增型(circulative-propagative)两类。如果在介体内不复制的，称为循回型；如果可在介体内复制则称为循回-扩增型(Hogenhoutetal., 2008)。非持久性病毒和一些半持久性病毒一般位于植物的表皮或叶肉，一些半持久性病毒和所有持久性病毒均位于植物韧皮部。

1.1.1半持久性传播病毒在介体内的结合部位及蛋白互作：目前证实，非持久性病毒在昆虫体内的滞留部位是口针前端内侧，而半持久性病毒在昆虫内的滞留部位则在昆虫前肠。Chen等(2011)通过荧光定位的方法研究半持久性传播病毒莴苣侵染性黄化病毒(lettuce infectious yellows virus, LIYV)病毒粒子在介体中的定位，发现病毒粒子存在于介体烟粉虱前肠的前端；同样地，Li等(2016)也证实半持久方式传播的瓜类褪绿黄化病毒(cucurbit chlorotic yellows virus, CCYV)结合部位在烟粉虱的前肠部位。但有个别例外，如Uzest等(2010)在研究以半持久性方式传播的花椰菜花叶病毒(cauliflower mosaic virus, CaMV)中发现，在豌豆蚜Acyrthosiphonpisum口针的末端有与该病毒相关的受体“acrostyle”。与介体互作的病毒蛋白包括衣壳蛋白(coat protein, CP)、次要衣壳蛋白(minor coat protein, CPm)、内共生菌GroEL蛋白、辅助成分蛋白酶(helper component proteinase, HC-Pro)、热激蛋白(heat shock protein)和下颚口针蛋白(underside-jaw protein)等(Uzestetal., 2007; Chenetal., 2011; Lietal., 2016)。与半持久性和非持久性传播的病毒相结合的介体受体蛋白的鉴定目前面临很大挑战，因为结合部位位于介体昆虫的口针内侧或前肠，这些部位均为外皮层起源的，为几丁质所覆盖，这些蛋白的分离非常困难。Killiny等(2016)通过蛋白酶处理前肠不能减少柑橘衰退病毒(citrus tristeza virus, CTV)的结合而用几丁质酶处理可以阻碍病毒粒子的结合，推测半持久传播的CTV在介体褐橘蚜Toxopteracitricida前肠内的受体可能不是蛋白而是糖分子。这个推测需要更多的实验来验证。

半持久性病毒从介体的排出方式尚不清楚(Hohn, 2007)。Zhou等(2017)认为人工饲料中的pH值可以影响莴苣传染性黄化病毒(lettuce infectious yellows virus, LIYV)与介体的解离过程。

1.1.2持久性方式传播的植物病毒与介体互作机制：持久性传播的植物病毒以烟粉虱传播的双生病毒和叶蝉或飞虱传播的水稻病毒最为典型。卫静等(2015)综述了烟粉虱传播双生病毒(Geminiviridae)分子机理，近年最引人注目的研究进展就是证明了双生病毒可以垂直传播(Weietal., 2017)和阐明了病毒在介体中肠胞内转运机制(Xiaetal., 2018)。水稻病毒与介体互作机理方面的研究进展包括：水稻条纹病毒(rice stripe virus, RSV)在灰飞虱Laodelphaxstriatellus体内组织间的循回侵染和经卵传播(Houetal., 2014)；水稻矮缩病毒(rice dwarf virus, RDV)与叶蝉的识别以及在叶蝉体内不同组织和器官的循回侵染(Weietal., 2008)；水稻黑条矮缩病毒(rice black streaked dwarf virus, RBSDV)与灰飞虱以及水稻南方黑条矮缩病毒(southern rice black streaked dwarf virus, SRBSDV)在白背飞虱Sogatellafurcifera体内的扩散机制(Puetal., 2012)；RSV外壳蛋白及激发子激活介体灰飞虱相关代谢过程(Wangetal., 2017)。此外，在小麦病毒方面，Wang等(2014)观察研究了小麦矮缩病毒(wheat dwarf virus, WDV)在其介体异沙叶蝉Psammotettixalienus体内的分布和转运。

1.1.3病毒对介体昆虫的影响：病毒对介体昆虫的影响分为直接影响和间接影响，前者是病毒与介体结合后对介体昆虫生理生化和行为的影响，后者则是病毒通过对植物性状(外观、分子代谢途径、营养、次生物质等)的影响而发挥作用(施艳等, 2013)。研究发现，不同传播方式的病毒(非持久、半持久或持久性传播)在植物中的存在部位(叶肉部分、韧皮部或木质部)、介体昆虫获毒和传播所需时间差别很大，因此病毒对昆虫行为和植物特性的影响是不同的(Jiménez-Martínezetal., 2004; Sunetal., 2020)。烟蚜Myzuspersicae和棉蚜Aphisgossypii非持久性传播的黄瓜花叶病毒(cucumber mosaic virus, CMV),在24 h内可以诱导植物产生吸引蚜虫的挥发性化学物质，但受到病毒侵染的寄主植物在1-2周后营养变差，促使介体转移到不带毒的寄主植物上(Maucketal., 2010)。半持久性病毒CCYV对介体烟粉虱的直接和间接影响均是可以促进介体取食(Lietal., 2016; Luetal., 2017, 2019)，而烟粉虱持久性传播的番茄黄化曲叶病毒也可以促进介体的取食行为(Liuetal., 2013)，可能是因为病毒均在植物韧皮部，获毒和传毒均需要介体在植物上取食较长时间。孟琳钦等(2019)报道了取食感染大麦黄矮病毒(barley yellow dwarf virus, BYDV)小麦后麦二叉蚜Schizaphisgraminum体内酶活性的变化。

介体-病毒互作研究方面可以参考重要的综述有：Ng和Falk(2006)及Ng和Zhou(2015)关于介体与非持久性、半持久性病毒的互作；Hogenhout等(2008)关于介体与持久性病毒的互作；Fereres和Moreno(2009)关于介体昆虫行为与植物病毒传播的关系；Blanc等(2011)及Casteel和Jander(2013)关于互作的分子机制；Gilbertson等(2015)关于烟粉虱和西花蓟马Frankliniellaoccidentalis传毒机理方面。

1.2 其他病原与介体互作

在介体与病原细菌互作研究方面，比较典型的是两个案例，一个是侵染木质部的病原菌，另一个是侵染韧皮部的。21世纪初在美国佛罗里达州和加利福尼亚州发生了严重威胁葡萄生产的皮尔斯病(Pierce’s disease)。这种病是由于病菌Xylellafastidiousa侵染葡萄植株的木质部而引发，介体昆虫为玻璃叶蝉Homalodiscacoagulata。为鉴定带菌昆虫和筛选葡萄品种，Backus等(2005)利用刺吸电位(electrical penetration graph, EPG)、组织化学等技术研究了玻璃叶蝉传播葡萄细菌性病菌的机理，发现携菌昆虫和未携菌昆虫在染病葡萄植株与健康植株上的取食行为明显不同，通过设计一定的EPG评价指标，有助于筛选出对病菌有抗性的葡萄品种。

近些年柑橘黄龙病在我国南方柑橘产地和美国佛罗里达等州严重发生。黄龙病的病原也是细菌，但侵染的是植物韧皮部。两国单独或合作进行了一系列深入的柑橘木虱传播黄龙病方面的研究，包括侵染机理、病原鉴定、抗性品种筛选、防控技术等方面的工作(Gottwaldetal., 2007; 范国成等, 2009; 马晓芳等, 2012; 乌天宇等, 2020)。开展侵染植物韧皮部的病原细菌的研究难度很大，主要原因是这类病原菌难于在实验室培养。因此，要防控这类病原菌引起的植物病害，面临着培养和鉴定病原菌、植物-病原菌-媒介昆虫互作分子机理、昆虫效应子(effector)功能等方面的挑战(Jiangetal., 2019)。

松墨天牛传播的松材线虫自1982年入侵我国后，目前已扩散到18个省市，对我国林业生产造成了严重为害，我国开展的很多传播机理和天牛-线虫互作方面的研究，特别是介体与线虫化学信号和二者共生关系机理的研究(Zhaoetal., 2013, 2016)，使我们对鞘翅目昆虫传播线虫的重要性有了新的认识。Wu等(2019)则研究表明，松墨天牛通过补充营养增加了代谢和呼吸速率，进而导致松墨天牛气管系统内CO2升高，一旦松墨天牛气管系统内CO2达到一临界值，松材线虫就开始从天牛气孔溢出。这一研究结果揭示了松材线虫传播和松萎蔫病侵染循环的一个关键节点，对进一步理解松材线虫复杂生活史和松萎蔫病防控具有借鉴意义。

2 本专辑主要研究内容

我国在植物病原与介体互作方面做了很多卓有成效的工作，特别是近年来在病原快速检测技术、介体昆虫生物学和行为学、病原对介体昆虫的影响、传播的分子机制等方面(叶健等, 2017)，取得了令世界瞩目的进展，为植物病害及其介体防控奠定了良好的基础。我国的植物病原与介体互作研究有两个特色：一是与农林生产密切相关，如水稻病毒、小麦病毒、蔬菜病毒、林果病害等；二是对于外来入侵介体昆虫的系统深入研究，如烟粉虱、西花蓟马、松墨天牛等。本专辑的论文是我国在植物病原媒介昆虫研究的重要组成部分，反映了最新研究进展。

本专辑包括13篇论文(包括11篇研究论文和2篇综述)，涉及灰飞虱Laodelphaxstriatellus、白背飞虱、电光叶蝉Reciliadorsalis、柑橘木虱Diaphorinacitri、烟蚜、烟粉虱、松墨天牛、斑衣蜡蝉Lycormadelicatula等介体昆虫，及其所分别传播的水稻条纹病毒、水稻条纹花叶病毒(rice stripe mosaic virus, RSMV)、瓜类褪绿黄化病毒、番茄褪绿病毒(tomato chlorosis virus, ToCV)、柑橘黄龙病菌亚洲种CandidatusLiberibacter asiaticus、松材线虫等病原。这些论文主要报道了以下4个方面的研究进展：

2.1 植物病原对介体昆虫的影响

在植物病毒对介体昆虫直接影响方面，李盼等(2020)利用生命表、刺吸电位技术(EPG)和Y型嗅觉仪研究了水稻条纹花叶病毒(RSMV)对介体电光叶蝉生长繁殖及取食行为的影响，发现带毒后电光叶蝉的生长发育和繁殖受到了不利影响，但取食植物时刺探次数增加、吸食时间增加，更加趋向于取食未带毒植株，总体上带毒后的行为更有利于传毒。病毒还通过改变植物的特性间接影响介体昆虫，如马铃薯Y病毒(potato virus Y, PVY)侵染后诱导烟草营养成分(氨基酸、糖类)含量的变化从而对烟蚜生长发育产生影响，感毒前中期(5 d和12 d)烟草植株营养变好而有利于昆虫发育繁殖、后期(20 d)营养变差从而促使有翅蚜的产生和扩散，反映出病毒通过调控烟草的营养特性从而使得介体昆虫更有效传播病毒(陈茜等, 2020)。

同样地，植物病原细菌也可以间接影响介体昆虫的取食行为。感染黄龙病病菌[黄龙病亚洲种‘CandidatusLiberibacter asiaticus’(‘Clas’)]的酸橘Citrusreticulata对亚洲柑橘木虱的成虫和5龄若虫取食行为和获菌效率有显著影响，且对5龄若虫促进作用较大，推测病菌一定程度上抑制了植物的防御反应(乌天宇等, 2020)。

2.2 介体昆虫基因功能分析

介体昆虫对病毒具有天然免疫反应。鲁燕华等(2020)在携带和不携带水稻条纹病毒(RSV)的灰飞虱体内筛选出差异表达的NF-κB信号途径中的两个重要基因IKKα和TBK1，证明其在灰飞虱中广泛表达，干扰这两个基因后，灰飞虱中的RSV含量显著上升，表明IKKα和TBK1在灰飞虱抵御RSV的侵入过程中可能具有重要功能。郭磊等(2020)则对烟粉虱MED隐种的2个耐药性相关的钙离子结合蛋白(BtCaBP1和BtCaBP2)基因进行RNAi干扰，发现BtCaBP2对烟粉虱的生长发育和繁殖有显著影响，而钙离子结合蛋白基因在烟粉虱传毒中是否发挥作用，则有待探索。

李鸣宇等(2020)对携带和未携带松材线虫的松墨天牛成虫各组织进行了转录组对比分析，发现差异表达基因主要为与其气管中压力调节、组织与DNA修复、激素响应方面相关。结合前期发现的松材线虫在天牛气管中被携带的特点，本结果在一定程度上表明，松材线虫对于松墨天牛更像是一种压力因子的存在，而不是一种外来侵染物，可能是二者在长期协同进化的过程中建立的特殊共生关系。

2.3 植物病毒快速检测技术

植物病毒的准确、快速检测对于进行传毒机理、介体-病毒-植物互作的研究是不可或缺的。本专辑的两篇论文均是关于烟粉虱所传播的两种植物病毒的检测技术。王克等(2020)针对目前检测技术稳定性不强、重复性不足，出现假阳性或假阴性的情况，优化了瓜类褪绿黄化病毒(CCYV)的检测技术，从14对引物中筛选出4对引物可同时对携带CCYV的根癌农杆菌GV3101菌液及其侵染的CCYV阳性黄瓜叶片cDNA进行稳定扩增，并获得最优的扩增程序，可用于介体昆虫烟粉虱和寄主植物中CCYV的快速、稳定检测。王吉成等(2020)报道了快速检测单头烟粉虱体内的番茄褪绿病毒(tomato chlorosis virus, ToCV)的技术。作者根据ToCV外壳蛋白保守序列设计了1对特异性引物和1条TaqMan探针，建立了TaqMan RT-qPCR方法的快速检测技术体系，灵敏度是常规RT-PCR的1 000倍。该方法与田间番茄两种重要病毒番茄黄化曲叶病毒和番茄斑萎病毒(tomato spotted wilt virus, TSWV)检测无交叉反应。

2.4 植物病原介体基础生物学和防控相关研究

半翅目昆虫是传播植物病原的最重要的介体类群，对这些昆虫传播植物病原相关的生物特性、行为等及其影响因素进行研究，可以为研发有效防控植物病病原及其介体的新技术提供思路。同时，介体昆虫的生物防治和其他环境友好型防控措施的探索，亦是植物病害有效治理的重要组成部分。

植物抗性利用是病虫害(包括植物病原及其介体昆虫)综合防控中最重要的措施。水稻是吸收硅最多的作物，硅可增强水稻的抗逆性已经成为共识。通过施硅能否增强植物对介体昆虫的抗性，从而减少昆虫刺吸或改变昆虫对植物的选择性？贾路瑶等(2020)利用刺吸电位技术(EPG)和笼罩观察了不同施硅水平下的水稻对白背飞虱刺吸和寄主选择行为的影响，发现施硅可增强水稻叶鞘硅化，阻碍白背飞虱的刺吸行为，且栖息率、产卵量显著降低。施硅有助于增强水稻对白背飞虱的抗性，从而可以降低介体昆虫的传毒可能性。

矿物油具有对环境友好、不产生抗药性且无残留、对有益生物毒害小等优点，目前被用于多种害虫的防治，还可作为化学杀虫剂的增效剂。高晶等(2020)进行了矿物油和吡虫啉混用对柑橘木虱的室内毒力测定，使用交互测定法、共毒因子(co-toxicity factor, CTF)法和共毒系数(co-toxicity coefficient, CTC)法评价矿物油对吡虫啉的增效作用。结果表明，nC22矿物油与吡虫啉混配比例为3∶7, 4∶6和7∶3时，均具有明显的增效作用，7∶3的混配比例对吡虫啉的增效作用最强，共毒系数可高达222.9。

寄生蜂是介体昆虫的重要控制因子，对寄生蜂地理种群遗传学和快速准确鉴定是寄生蜂保护和利用的基础和前提。辛蓓等(2020)研究了不同地理种群斑衣蜡蝉若虫寄生蜂种群遗传差异和若虫被寄生早期的快速准确检测技术，以评估其对斑衣蜡蝉种群的控制作用。结果表明，中华螯蜂Dryinussinicus地理种群间遗传差异较小，种特异性SS-PCR引物可用于不同地区中华螯蜂对斑衣蜡蝉早期寄生率的快速检测。

本专辑的两篇综述均是关于介体昆虫基础生物学的。一篇是关于昆虫翅型分化的(俞金婷等, 2020)。翅多型现象常发生在可以携带病原并将其传播给植物宿主的媒介昆虫中，对植物病害的时空分布与暴发有重要影响。目前对植物病原介体昆虫翅多型分化的研究主要集中在半翅目的蚜虫和飞虱中。俞金婷等(2020)综述了蚜虫和飞虱的翅型分化方面的研究进展，包括翅型分化的遗传规律、诱导因素、分子机制和伴随翅型分化的其他生理表现4个方面。该综述可为控制虫媒病原的传播以及其他昆虫翅多型的研究提供参考。另一篇是关于昆虫蜜露分泌机制的(舒本水等, 2020)，该文总结了柑橘木虱蜜露排泄行为、蜜露组成成分以及影响蜜露排泄的多个因素方面的研究进展，同时讨论了可能参与柑橘木虱蜜露排泄行为的渗透调节基因。

3 值得关注的研究方向

基础研究是研发介体昆虫及其传播的病原物的有效防控技术的前提。在植物病原与介体互作研究中，分子生物学的内容占了很大比例，很多综述和展望也多是从分子角度出发的，而介体与病原的关系需要从更宏观的视野去认识。因此，在此从生态和进化的角度提出以下3个值得关注的研究方向，供同行参考。

3.1 病原物-介体互作对生态系统的影响

病毒具有快速变异的特性和劫持寄主代谢的能力，以有利于其复制和传播。Rey(2011)指出，病毒对于寄主的持续压力及其传播对于介体的依赖，可以说是地球上生物进化和分化的驱动力之一。越来越多的研究结果表明，植物病原物(特别是病毒)可以直接或(和)间接地修饰介体昆虫的行为，改变寄主植物的特性，以有利于其有效传播。从生态层面来说，病毒对于昆虫行为和植物特性(包括外观、营养、次生物质等)的改变，不仅可以影响介体昆虫的生长发育、繁殖和取食行为，而且可以吸引非介体昆虫(包括其他植食性昆虫、介体昆虫的寄生蜂或捕食者)，甚至可以影响地下生物群落。近年来病毒对非介体昆虫的影响方面也开始引起关注(Nachappaetal., 2013)。因此可以说，病毒可显著影响昆虫与植物的互作，进而改变寄主植物所处的群落结构和生态环境。这方面值得关注的研究内容包括病毒对地上地下生物群落的影响、病毒对生物防治的影响、病毒对介体昆虫遗传结构的影响、病毒对介体昆虫抗药性的影响以及病毒-介体-植物互作的化学生态学机理等。

3.2 介体传毒方式之间的进化关系

每类介体和病毒的组合关系都非常特异，即此类病毒只经特定的介体传播，不经其他类别的介体传播。这当然可以认为是病毒结合蛋白与介体受体蛋白特异性结合造成了这种特异性。而从进化与生态的角度看，不同类别传播方式是否存在进化关系？有预测认为寄生物及其寄主植物的系统发育树在拓扑学上应该是相同的(Hafner and Nadler, 1988)。Mathews(1991)估计，植物病毒与介体种类间可能存在协同进化关系。那么，植物进化树、介体进化树与病毒进化树是否能够重合在一起？也就是说，病毒与昆虫介体或寄主植物的进化是否有一致性或相关性？对这类协同进化关系的研究将可能为植物病毒的有效防控寻找到新的靶点，也为理解病毒-介体协同进化关系提供新的视角。

3.3 自然条件下病原物与介体互作的机理

自然界中，人类干预少，很少发生大规模病毒流行或昆虫暴发，自然界中有适应和协调机制，即在自然情况下大部分植物是抗病毒的(Revers and Nicaise, 2014)。这除了自然生态系统中生物多样性的因素之外，病原物及其介体关系的内在平衡机理值得我们系统研究。这或许能够给我们控制作物病害及其传播提供新的思路。此外，目前普遍关注的均是少数几个介体传播的植物病毒，大部分同类介体是否不传播病毒？比如粉虱科(Aleyrodidae)昆虫，全世界已记载1 600种(Martin and Mound, 2007; 闫凤鸣和白润娥, 2017)，但目前只发现了4种传毒介体，是否其他粉虱种类都不传毒？或者所传病毒没有造成危害所以被忽略了？在其他传毒介体昆虫类群中均存在这类现象，值得我们思考和深入研究。

植物病原与昆虫介体互作研究，是植物病理学、病毒学、昆虫学和生态学多学科交叉研究领域，需要不同学科科学家合作开展工作。以生态学和进化生物学的观点去看待病原与介体互作关系，可以发现很多新的现象和突破点，利用生态学、行为学、生理学、分子生物学和组学等不同层次的技术手段，阐明其互作机理，将为植物病毒及其介体昆虫的有效治理奠定理论基础。

致谢感谢浙江大学昆虫科学研究所刘树生教授鼓励和中国科学院动物研究所袁德成研究员的支持和帮助。