三维电子显微镜揭示樟树与樟瘤粉虱的奇妙微观互作

为探究韧皮部取食昆虫与植物互作机制，研究人员用 vEM 技术研究樟瘤粉虱与樟树，揭示独特互作模式。

　　在自然界中，植物就像一座座绿色的 “能量工厂”，通过光合作用利用太阳能生产有机化合物，是生态系统的基石。而韧皮部（phloem）作为植物体内营养物质长途运输的关键通道，对植物的生长发育起着至关重要的作用。然而，一些以韧皮部汁液为食的昆虫，却像潜伏在 “工厂” 里的 “破坏者”，给农业生产和生态环境带来了巨大的威胁。这些昆虫拥有特殊的取食策略，它们的刺吸式口器（stylets）能够从植物表皮一路穿透到富含营养的韧皮部筛管（sieve tube）吸取汁液，同时还可能传播植物病毒，引发各种植物病害，造成严重的经济损失 。

尽管遗传学、基因组学和生物化学的发展为我们理解韧皮部 - 昆虫互作提供了新的视角，但现有的研究大多依赖二维离散图像，对于植物细胞在昆虫取食过程中的微观形态变化，以及口器结构与功能之间的关系，我们知之甚少。为了深入探究这些神秘的微观世界，浙江大学昆虫科学研究所和宁波大学农产品质量安全国家重点实验室的研究人员开展了一项具有开创性的研究，相关成果发表在《Communications Biology》上。

在这项研究中，研究人员运用了三维电子显微镜（volume electron microscopy，vEM）技术，这一技术就像是一台微观世界的 “透视仪”，能够以纳米级的分辨率揭示细胞、组织和小型生物的三维结构，让研究人员得以清晰地观察到植物与昆虫之间的微观互作细节。

研究人员以樟瘤粉虱（Trioza camphorae）和樟树（Cinnamomum camphora）为研究对象。樟瘤粉虱是一种严重危害樟树的害虫，它会在樟树叶片上形成明显的坑状虫瘿（pit galls），影响樟树的生长和美观。研究人员首先对樟瘤粉虱的口器结构和取食机制进行了深入研究。通过 vEM 技术重建口器的三维结构，发现樟瘤粉虱的刺吸式口器由一对下颚口针和一对上颚口针组成，口针基部含有众多神经元体，可能具有感知外界刺激的功能。在取食过程中，口针会穿透植物叶片的每一层细胞，直达韧皮部筛管。当口针到达韧皮部后，植物汁液会在压力作用下通过食物道（Fc）进入昆虫的食管，这一过程涉及到复杂的肌肉运动和生理机制。

接着，研究人员观察了植物细胞在与昆虫互作过程中的响应。令人惊讶的是，樟瘤粉虱的口针在到达韧皮部的路径上，会穿透每一个细胞，并且植物细胞会在口针周围形成新的细胞壁，这些新细胞壁最终会与原来的细胞壁融合，导致细胞壁显著增厚。此外，研究人员还发现，在口针刺穿筛管元素后，会迅速分泌凝胶状唾液，形成一个不规则形状的空腔，这个空腔有助于防止汁液泄漏，并促进汁液流入口针。这些现象表明，植物细胞在面对昆虫取食时，会通过一系列复杂的生理反应来保护自己。

虫瘿形成是樟瘤粉虱与樟树互作的一个重要特征。研究人员通过对虫瘿组织和健康叶片组织的三维重建和分析，发现虫瘿形成过程中，细胞体积显著减小，细胞层数急剧增加。这表明虫瘿的形成主要是由于细胞增殖（hyperplasia）而非细胞肥大（hypertrophy）。通过对感染樟瘤粉虱的樟树叶片进行转录组分析，研究人员进一步揭示了虫瘿形成的分子机制。结果显示，与细胞壁厚度和细胞复制相关的基因显著上调，而与防御萜烯合成和 WRKY 转录因子相关的基因则显著下调，这说明樟瘤粉虱的侵染可能激活了植物细胞的增殖过程，同时抑制了植物的防御反应。

综合以上研究结果，研究人员提出了一个植物与樟瘤粉虱互作的形态学模型。在这个模型中，当粉虱口针开始穿透叶片时，会释放凝胶状唾液固定口针束，同时分泌唾液形成保护鞘，抵御植物的化学防御。口针穿透植物细胞，导致细胞壁增厚，这可能与胼胝质（callose）的沉积有关。在虫瘿形成过程中，植物细胞的增殖和体积变化是主要的生理过程，这一过程受到植物激素信号转导的调控。

这项研究具有重要的意义。它首次以纳米级分辨率揭示了樟瘤粉虱与樟树之间的三维互作模式，为深入理解韧皮部取食昆虫与植物的互作机制提供了新的视角。研究结果有助于我们进一步认识植物细胞对昆虫取食的响应机制，为开发新的害虫防治策略提供理论依据。此外，研究中所运用的 vEM 技术，也为其他类似的微观生物学研究提供了重要的方法参考。

研究人员为开展这项研究，主要用到了以下关键技术方法：

1. 样本制备与成像：采集樟瘤粉虱和樟树叶片样本，经固定、处理后，用扫描电子显微镜（Thermo Fisher, Teneo VS）结合超薄切片机对样本进行成像，获取高分辨率图像。
2. 三维重建：利用 Amira 2021.1 软件对图像进行对齐、滤波、手动分割等处理，生成三维结构表面模型，并用 Chimera 软件进一步处理和分析。
3. 转录组分析：选取非感染和感染樟瘤粉虱的樟树叶片，提取 RNA 进行转录组测序，分析差异表达基因（DEGs）及相关通路。

研究结果主要包括以下几个方面：

1. 樟瘤粉虱口针结构与取食机制：通过 vEM 技术重建口针三维结构，发现其特殊构造和神经分布，确定取食时肌肉运动和汁液摄取方式。
2. 植物细胞响应：观察到口针穿透植物细胞，细胞形成新细胞壁，以及唾液形成空腔防止汁液泄漏等现象。
3. 虫瘿形成机制：分析虫瘿组织细胞变化，结合转录组数据，揭示虫瘿形成与细胞增殖、植物激素信号转导的关系。

研究结论和讨论部分强调了这些发现的重要性。研究揭示了樟瘤粉虱独特的取食模式，与传统认知中蚜虫和粉虱的多分支取食路径不同，其为无分支路径。同时发现植物细胞通过细胞壁增厚应对昆虫取食，虫瘿形成主要源于细胞增殖。这些发现为理解韧皮部取食昆虫与植物互作提供了新线索，也为开发针对虫瘿害虫的防治策略奠定了基础，未来对虫瘿形成分子机制的深入研究将有助于进一步推动相关领域的发展。