CAP肽段联合植物激素人工诱导跨物种昆虫瘿瘤样结构的机制研究

本研究针对昆虫诱导植物瘿瘤形成的效应分子机制这一未解难题，通过生物信息学筛选和拟南芥瘿瘤形成实验体系(Ab-GALFA)，首次鉴定出角倍蚜(Schlechtendalia chinensis)分泌的CAP肽段是关键效应分子。研究人员发现CAP保守六肽(FTQIVW)与植物激素(生长素和细胞分裂素)协同作用，可在宿主植物Veronica peregrina上成功重建具有典型瘿瘤特征的类器官结构，其基因表达谱和形态学特征与天然瘿瘤高度相似。该研究为植物-昆虫互作研究提供了新型分子工具，揭示了CAP蛋白家族在器官发育中的保守功能。

　　

在自然界中，昆虫诱导植物形成的瘿瘤堪称"延伸的表现型"典范——这些结构精巧的肿瘤样组织不仅为昆虫提供栖居空间和营养来源，其形态特征还严格遵循"建筑师"昆虫的物种特异性。然而一个世纪以来，科学家们始终被一个核心问题困扰：究竟是什么样的"分子钥匙"能让昆虫如此精准地操控植物发育程序？虽然植物激素、氨基酸和蛋白质等候选分子陆续被提出，但真正的效应分子始终未能锁定。

京都府立大学(Kyoto Prefectural University)生命环境科学研究科的研究团队通过创新性的研究策略破解了这一难题。他们建立的拟南芥瘿瘤形成实验体系(Ab-GALFA)如同分子显微镜，成功捕捉到角倍蚜(S. chinensis)分泌的关键效应分子——CAP家族蛋白中的保守肽段。这项发表在《Plant and Cell Physiology》的研究不仅揭示了昆虫操控植物的分子密码，更首次实现了跨物种的人工瘿瘤诱导，为植物-昆虫互作研究开辟了新范式。

研究团队运用多组学联用技术：通过生物信息学筛选角倍蚜转录组数据锁定候选基因；采用化学合成肽段结合显微观测验证功能；建立Veronica peregrina全基因组序列作为分析基础；运用RNA-Seq比较天然瘿瘤与人工诱导结构的转录组特征。样本来自日本大阪堺市自然公园的天然种群。

【Characterization of the gall-inducing effector molecules in S. chinensis extract】
通过热处理和蛋白酶消化实验证实，角倍蚜提取物中的活性成分是热稳定的小分子肽类。Ab-GALFA体系显示，99°C处理10分钟后的提取物仍保持诱导活性，而蛋白酶处理则完全消除活性，为后续筛选指明方向。

【CAP peptides artificially induce insect-gall-like growth in different plant species】
从3,986个上调基因中筛选出227个CAP家族基因，系统发育分析发现其CAP1结构域中高度保守的FTQIVW六肽核心序列。合成22肽(CAP-p22)和6肽(CAP-p6)均能在拟南芥根尖诱导PLT1标记的干细胞特征，RNA-Seq显示4μM CAP-p22处理特异性激活WOX、STM等干细胞相关基因及MYB等次生细胞壁形成基因。

【Gall induction activity of the CAP peptide】
关键实验证明CAP-p6必须与植物激素(生长素IAA和细胞分裂素BAP)协同才能重建完整瘿瘤结构：单独使用CAP-p6仅引起干细胞标志物表达，而联合处理则诱导出具有中央腔室、薄壁组织、木质化外层和维管束的典型结构。组织学染色显示次生细胞壁组分(木质素和木栓质)在表皮细胞异常沉积。

【CAP peptide plus phytohormones produce the gall-like structure in V. peregrina】
在宿主植物V. peregrina上，10-20μM CAP-p6联合0.1 mg/ml NAA和0.05 mg/ml BAP成功诱导出与天然瘿瘤相似的球状结构。基因组测序获得822.7 Mb的参考序列，RNA-Seq分析显示人工结构与天然瘿瘤有57.6%基因表达重叠，包括WOX、KNOX等关键转录因子。组织切片证实其具备天然瘿瘤四大特征结构。

这项研究首次实验证实CAP肽段是昆虫诱导瘿瘤形成的关键效应分子，解开了"延伸的表现型"背后的分子谜题。特别值得注意的是，保守的FTQIVW六肽在多种瘿虫-宿主系统中高度保守，暗示植物CAP蛋白可能参与器官发育的保守通路，而昆虫通过"分子拟态"劫持了这一通路。该发现不仅为植物-昆虫协同进化研究提供新视角，其建立的Ab-GALFA体系更为效应分子筛选提供了标准化平台。未来研究可进一步解析CAP肽段作用的植物受体和下游信号通路，探索其在农业害虫防治中的应用潜力。