近日，吉林农业大学林学与草学学院赵曦阳教授团队在国际知名期刊 Pesticide Biochemistry and Physiology（一区top，IF：4.7）发表了题为 “Physiological and molecular mechanism of Populus pseudo-cathayana × Populus deltoides response to Hyphantria cunea”的研究论文。该研究通过转录组和代谢组学分析，对美国白蛾不同时间的啃食下，青山杨应对虫害胁迫的分子调控机制进行了解析。

摘要

青山杨(Populus pseudo-cathayana × Populus-deltoides)是东北地区重要的人工林树种，因其树形美观，生长速度快，扦插繁殖易成活等良好的速生性和观赏性得以快速推广。美国白蛾(Hyphantria cunea)是一种可危害多种阔叶树的重大入侵性食叶害虫，对经济和生态都造成了巨大的破坏。本研究以青山杨为研究对象，对不同取食时间（0、2、4、8、16、24h）下青山杨的生理指标、转录组学和代谢组学进行了研究。该研究为利用分子手段提高青山杨抗虫性奠定了基础，同时也为林木抗虫基因工程提供了理论依据。

图1 试验前的植株表型(A)，美国白蛾幼虫在0小时(B)、2小时(C)、4小时(D)、8小时(E)、16小时(F)和24小时(G)时啃食青山杨叶片的过程

1 不同时间下青山杨叶片生理指标的变化

为应对虫害胁迫，植物会启动相关防御酶进行防御，例如多酚氧化酶(PPO)、苯丙氨酸解氨酶(PAL)、脂氧合酶(LOX)等这些酶可直接参与植物防御保护相关的次生代谢产物的生成过程，其酶活性的大小与寄主植物的防御抗性密切相关。本研究中，随着幼虫啃食时间的增加，PAL活性呈先升高后降低后升高的趋势。在本研究中LOX活性在N处理时最低，在H24时显著升高。随着咬食时间的延长，PPO活性逐渐升高，在H8时达到显著水平。

  次生代谢物对植食性昆虫防御作用主要分为忌避与拒食、干扰昆虫体内酶活性、抑制生长发育、致死、引诱昆虫天敌及影响昆虫共生菌。本研究中，总酚含量和类黄酮含量的变化趋势大致相同。总酚含量在H4和H24时最高，类黄酮含量在H4时最高，在H16时最低。

图2 不同时间处理下的苯丙氨酸解氨酶 (A)、总酚(B)、类黄酮(C)、多酚氧化酶 (D)和脂氧合酶(E)的含量变化。

2 美国白蛾不同时间取食后青山杨叶片差异表达基因(DEGs)及功能注释

   经过原始数据过滤和筛查，18个样本共筛出528788154条数据用于随后的生物信息学分析。转录组分析并鉴定了六个对照组(H4 vs N， H16 vs N， H24 vs N， H4 vs H16， H4 vs 24， H16 vs H24)， 共鉴定出11820个DEGs，分布如下：H4 vs N ( 6852个DEGs: 3484个上调， 3368个下调)，H16 vs N (6963个DEGs : 3505个上调， 3458个下调)、H24 vs N ( 4731个DEGs : 2905个上调， 1826个下调)，H4 vsH16( 3800个DEGs : 1668个上调， 2132个下调)、H4 vs H24 (4366个DEG：2651个上调， 1715个下调)和H16 vs H24 (3242个DEGs: 2054个上调， 1188个下调)。在6个比较组中，有240个共同的DEGs。

图3 美国白蛾幼虫取食不同时间点后，叶片差异表达基因(DEGs)的功能注释

3 相关基因家族

        TFs在植物中广泛存在，在植物的生长、发育和响应非生物胁迫中发挥着重要作用。在本研究中，总共有252个DEGs被鉴定为编码TFs的基因，包含38个TF家族。下图显示了AP2/ERF(18%)，MYB(14%)，WRKY(7%)，bHLH(6%)，NAC(6%)，bZIP(4%)，GRAS(4%)，C2H2(3%)，C3H(3%)，Tify(3%)，C2C2(2%)和GARP-G2-like(2%)的分布。

图4 美国白蛾幼虫取食后编码转录因子DEGs表达量的变化

4 美国白蛾不同时间啃食后青山杨叶片的代谢组分析

为了分析不同时期代谢物的差异，采用UPLC-MS/MS对4个样品(N、H4、H16和H24)进行了分析。在6个对照组中共鉴定出956个DAMs，其中H24 vs N最多(共679个DAMs: 522个上调，157个下调)，H16 vs H24最少(共205个DAMs，138个DAMs上调，67个DAMs下调)。此外，H4 vs H16、H4 vs H24、H4 vs N和H16 vs N分别含有576个DAMs(上调451个，下调125个)、547个DAMs(上调355个，下调192个)、369个DAMs(上调107个，下调262个)和300个DAMs(上调166个，下调134个)。将956个DAMs分为12类。类黄酮(37%)和酚酸(12%)是最丰富的DAMs。

图5 美国白蛾幼虫取食不同时间点后青山杨叶片中差异代谢物的鉴定

5 茉莉酸通路和类黄酮通路

        JA信号通路是介导植物抗虫性的关键。三个对照组(H4 vs N， H16 vs N， H24 vs N)中有30个DEGs和2个DAMs与JA通路相关。分析基因表达模式，热图集中显示12个基因，除POPTR_012G044900v3、POPTR_010G108200v3、POPTR_005G214300v3和POPTR_008G133400v3外，大多数JAZ基因表达上调。此外，大部分MYC2基因上调(共17个基因)，其中JAR1基因在H24中表达水平较高。茉莉酸和茉莉醇-l-异亮氨酸在H24中均显著上调，表明它们作为代谢物在青山杨对昆虫的抗性中起关键作用。

图6 茉莉酸信号通路

  黄酮类生物合成途径在所有对照组中都显著富集，黄酮类占所有DAMs的大多数类别。在该途径中，大多数CHS和ANS基因下调，PAL、4CL和DFR基因的表达水平在不同样本中存在差异。此外，所有FLS基因均下调。此外，四种类黄酮化合物(二氢山奈酚、儿茶素、山奈酚和柚皮素)在样品中的积累不同。其中，儿茶素、二氢山奈酚和山奈酚在H16中表达量最高，柚皮素在H24中表达量上调。

图7 类黄酮信号通路

6 总结

本研究采用生理、转录组学和代谢组学分析方法，分析了不同取食时间下青山杨应对美国白蛾的反应差异。苯丙氨酸解氨酶、总酚和类黄酮含量等生理指标在不同取食时间下均存在显著差异。转录组学分析揭示了大量的DEGs，特别富集于茉莉酸信号转导和类黄酮生物合成。代谢组学分析突出了茉莉酸、茉莉醇- l-异亮氨酸和儿茶素、山奈酚、柚皮素和二氢山奈酚等类黄酮在不同样品中的不同表达。这些发现为杨树应对美国白蛾的侵袭提供了新的见解。

该论文通讯作者为吉林农业大学林学与草学学院赵曦阳教授和张鑫鑫讲师，硕士研究生丁禹同与博士研究生沈佳佳为论文的共同第一作者。

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38879313/