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《BMC Plant Biology》（中科院二区，TOP期刊，IF：4.3）发表了题为“Transcriptomic and metabolomic analysis of poplar response to feeding by 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，新林1号杨应对虫害胁迫的动态响应机制进行了解析。

摘要

新林1号杨(Populus cathayana × canadansis ‘Xinlin 1’）具有生长快产量高的特点，是新一代杨树优良品种，具有巨大的生产潜力和经济价值。美国白蛾(Hyphantria cunea)是一种全球生长的鳞翅目害虫，适应能力强，损坏周期长，传播途径广，对森林资源危害极大。本研究以新林1号杨为研究对象，对不同取食时间（0、2、4、8、16、24h）下新林1号杨的生理指标、转录组学和代谢组学进行了分析。该研究为杨树虫害胁迫的动态响应机制提供了新的认识。

1.不同时间下新林1号杨叶片表型及生理指标测定

为应对虫害胁迫，植物会产生相关的防御酶以及代谢物进行防御。在本研究中，不同取食时间对苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性，总酚和类黄酮含量的影响均呈极显著水平(p<0.01)。PAL活性、总酚和类黄酮的含量均随取食时间的延长呈现先升高，再降低，再升高的趋势，同时总酚和类黄酮含量在24h最高，16h时最低。

图1 美国白蛾不同时间取食后表型和生理指标变化

2.美国白蛾不同时间取食后新林1号杨叶片的转录组分析

为了评价新林1号杨的转录谱，构建了6个样品共18个cDNA文库。结果显示，从18个样本中总共获得了824，571，664个原始数据。此外，选择5个对照组(2h vs CK、4h vs CK、8h vs CK、16h vs CK、24h vs CK)进行分析，共鉴定出8925个差异表达基因(DEGs)，其中2h vs CK 6179个DEGs(3231个上调，2948个下调)，4h vs CK 3353个DEGs(1926个上调，1427个下调)，8h vs CK 1840个DEGs，(1155个上调，685个下调)，16h vs CK 4185个DEGs(1850个上调，2335个下调)，24h vs CK 3746个DEGs(2218个上调，1528个下调)。这五组共有298个共同的差异表达基因。在KEGG富集分析中，代谢，次生代谢物的生物合成，植物激素信号转导，MAPK信号转导和类黄酮生物合成途径是最常见的代谢途径。

图2 美国白蛾不同时间取食后DEGs的功能注释

3.相关转录因子(TFs)家族

TFs是一种可以结合启动子区域特定的的顺式作用元件来决定基因表达水平的蛋白质，对植物的生长发育具有重要的调控作用。在本研究中，共有825个基因编码了56个TFs家族，包括AP2/ERF(12%)、MYB(12%)、C2C2(8%)、bHLH(7%)、NAC(7%)、WRKY(6%)等。

图3 美国白蛾不同时间取食后编码转录因子的差异表达基因表达水平的变化

4.美国白蛾不同时间取食后新林1号杨叶片的代谢组分析

为了深入了解美国白蛾不同时间取食后代谢物的差异，采用超高效液相色谱-串联质谱(UPLC-MS/MS)进行非靶向分析。维恩图显示，在5个对照组中有9个共同的差异代谢物（DAMs），共有872个DAMs分为12类，这些化合物大多数属于黄酮类其次是酚酸。其中2h vs CK，4h vs CK， 8h vs CK，16h vs CK，24h vs CK分别含有598个DAMs (138个上调，460个下调)，377个DAMs(70个上调，307个下调)，124个DAMs(42个上调，82个下调)，356(58个上调，298个下调)，146个DAMs(85个上调，61个下调)。此外，这些DAMs在黄酮和和黄酮醇以及黄酮醇苷的生物合成途径中显著富集，这表明与这些途径相关的化合物更能被诱导以应对美国白蛾的侵袭。

图4 美国白蛾不同时间取食后差异代谢物鉴定

5.植物激素信号转导通路

在转录组分析中证实了美国白蛾取食新林1号杨叶片后，在植物激素信号转导通路中显著富集，结果显示共有328个DEGs编码了33种酶。有2个TIR1基因(POPTR_007G048200v3，POPTR005G141800v3)在8h时显著升高然后下降。1个CRE1基因POPTR_010G102900v3的表达量在侵袭2h时达到最高。除POPTR_010G000600v3外，所有PYR/PYL在CK期表达量最高。此外，该途径中还富集了三种化合物，它们涉及两类(有机酸、氨基酸和衍生物)。茉莉酰-L-异亮氨酸的表达量随着美国白蛾取食时间的延长而增加。

6.MAPK信号通路

MAPK级联在不同植物和不同生长发育阶段应对各种胁迫中起着重要作用。在该途径中，大部分的flg22基因在美国白蛾取食8h后表达量较高。ANP1基因在取食后表达显著下调。在茉莉酸信号转导通路中，还发现侵袭后两个MYC2基因(POPTR_002G176900v3、POPTR_014G099700v3)显著上调。结果表明，这些基因在不同取食时期对胁迫的反应中起重要作用。

7.类黄酮、黄酮和黄酮醇、花青素生物合成途径

转录组数据显示大部分的DEGs富集在类黄酮生物合成途径中，在本研究中发现美国白蛾的侵袭激活了部分基因(PAL、CH4、4CL、CHS等)的表达并诱导了代谢物(如山奈酚，木犀草素)的积累。FH3基因在2h被激活，随后表达量逐渐下降，在16h达到最低，说明植物对昆虫摄食的防御是动态变化的。

图7 类黄酮、黄酮和黄酮醇、花青素的生物合成途径分析

8.总结

本研究采用了生理、转录组学和代谢组学的方法，分析了不同取食时间新林1号杨的差异变化。苯丙氨酸解氨酶、总酚和类黄酮含量在不同取食时间下均存在显著差异。转录组学及代谢组学探讨了杨树对昆虫胁迫的关键基因和关键代谢物，这些发现为探讨杨树应对美国白蛾侵袭的动态响应机制提供了新的认识。为今后筛选抗虫基因和培育抗虫新品种提供信息。

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，博士研究生李浛溪与博士研究生沈佳佳为论文的共同第一作者。