2022-03-15
期刊：《Environmental Pollution》
影響因子：8.071
文章題目：Elevated CO2 aggravates invasive thrip damage by altering its host plant nutrient and secondary metabolism
技術手段：RNA-seq，q RT-PCR
派森諾與南京農(nóng)業(yè)大學攜手合作，于近期在《Environmental Pollution》上發(fā)表關于升高的CO2濃度通過改變西花薊馬寄主植物的營養(yǎng)和次生代謝加劇了其入侵危害的相關研究成果。
研究背景
CO2作為植物光合作用的重要原料，對植物的生理功能有著重要的作用。近年來全球大氣CO2濃度不斷上升，這導致植物組織中碳氮比增加，影響了植物初/次級代謝產(chǎn)物的生物合成，進而改變植物營養(yǎng)成分和次級防御物質(zhì)的含量和組成，最終間接地影響草食性昆蟲的取食行為和生長發(fā)育。之前關于高CO2濃度（eCO2）對草食昆蟲影響的研究主要集中在根據(jù)eCO2引起的寄主植物養(yǎng)分變化來預測其種群的動態(tài)變化，但有關eCO2對草食昆蟲和植物之間相互作用的影響及其分子機制研究甚少。
本研究模擬未來大氣CO2濃度升高時西花薊馬與菜豆的相互作用環(huán)境，通過RNA測序（RNA-seq）技術和對比分析，從轉(zhuǎn)錄水平來探究在eCO2下西花薊馬與菜豆之間的相互作用關系，旨在預測高濃度CO2下西花薊馬未來的發(fā)生趨勢，為今后氣候變化下西花薊馬對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的危害提供理論依據(jù)。
研究思路
研究結(jié)果
1．在aCO2和eCO2條件下生長的健康及薊馬入侵菜豆葉片的轉(zhuǎn)錄組分析
菜豆葉片的轉(zhuǎn)錄組學分析結(jié)果表明，在aCO2條件下，與CK相比，T 處理有1679個基因表達顯著上調(diào)，1386個基因表達顯著下調(diào)；在eCO2條件下，與CK相比，T處理有2541個基因表達顯著上調(diào)，1757個基因表達顯著下調(diào)。
為進一步明確菜豆抵御西花薊馬入侵的生物通路，對所有差異基因進行了KEGG通路富集分析。結(jié)果表明，菜豆可以通過調(diào)節(jié)葉片內(nèi)營養(yǎng)和能量代謝，氨基酸代謝，創(chuàng)傷信號轉(zhuǎn)導和次生代謝來抵御西花薊馬的入侵危害（圖1A和B）。其中，在與植物能量和營養(yǎng)相關的途徑中，乙醛酸和二羧酸鹽代謝、淀粉和蔗糖代謝、糖酵解/糖異生3條途徑在eCO2下表現(xiàn)出較多的差異基因（DEGs）。其次，4條與氨基酸代謝相關的途徑顯著富集，其中甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝途徑在eCO2下DEGs較多，2條與創(chuàng)傷信號轉(zhuǎn)導相關的途徑包括MAPK信號通路和植物激素信號轉(zhuǎn)導均顯著富集，二者在eCO2下DEGs較多。最后，與次級代謝(即苯丙素生物合成)相關的顯著富集途徑被認為在菜豆對薊馬的抗性中起著重要作用。
圖1. aCO2和eCO2條件下菜豆葉片的KEGG通路富集分析
2．eCO2影響西花薊馬成蟲取食后菜豆葉片的營養(yǎng)水平
eCO2可顯著提高健康菜豆葉片及葉片汁液中可溶性糖的含量(圖2A和B)。在aCO2和eCO2條件下，與CK相比，各T處理中總蛋白含量和可溶性糖含量均顯著下降，總氨基酸含量和游離脂肪酸含量均顯著增加了（圖2A）。然而，在相應的西花薊馬侵染葉片的汁液中，這些營養(yǎng)相關的防御物質(zhì)在eCO2下的變化并不明顯（圖2B）。另外，根據(jù)RNA-seq結(jié)果選擇了9種被認為在菜豆防御薊馬入侵中起重要作用的氨基酸進行含量測定，結(jié)果表明在eCO2下西花薊馬侵染顯著影響了葉片中蘇氨酸、谷氨酸和亮氨酸的含量和葉片汁液中天冬氨酸、蘇氨酸、丙氨酸和苯丙氨酸的含量（圖2C和D）。
圖2. aCO2和eCO2處理下菜豆葉片及葉片汁液的相關營養(yǎng)物質(zhì)測定
3．eCO2影響菜豆防御西花薊馬侵染的反應
首先發(fā)現(xiàn)eCO2對正常菜豆葉片中的創(chuàng)傷關鍵信號分子（水楊酸JA、茉莉酸SA和乙烯ETH）和主要次生代謝產(chǎn)物（黃酮、木質(zhì)素、香豆素和生物堿）的含量產(chǎn)生了一定的影響。其次，正常CO2濃度下，西花薊馬侵染菜豆葉片36h后，葉片及葉片汁液中上述物質(zhì)含量也表現(xiàn)出顯著的差異；而在eCO2條件下，T 處理葉片中JA，SA和ETH含量差異變化并不顯著，木質(zhì)素含量顯著增加了32.46%，葉片汁液中JA和生物堿的含量分別顯著降低了88.86%和40.18%，黃酮含量則顯著增加了49.77%（圖3）。
圖3. 菜豆防御西花薊馬成蟲侵害的關鍵信號分子和次生代謝產(chǎn)物的含量測定
4．eCO2影響菜豆葉上取食的西花薊馬成蟲的生理指標
與aCO2相比，飼喂在eCO2下生長的菜豆葉的西花薊馬成蟲壽命縮短和體重增加，雌性成蟲生殖力無顯著差異（圖4）。另外，薊馬成蟲體內(nèi)海藻糖（TRE），葡萄糖（GLC），甘油三酯（TG）和游離脂肪酸（FFA）的含量均顯著增加，總氨基酸含量顯著降低（圖5A），其中大部分氨基酸含量均顯著降低（圖5B）。
圖4. 取食aCO2和eCO2下生長菜豆葉片的西花薊馬成蟲的生理指標
圖5. aCO2和eCO2條件下取食菜豆葉片的西花薊馬成蟲體內(nèi)主要營養(yǎng)成分含量的測定
5．在aCO2和eCO2條件下取食菜豆葉的西花薊馬成蟲的轉(zhuǎn)錄組分析
與aCO2相比，eCO2條件下西花薊馬成蟲體內(nèi)有156個顯著上調(diào)的差異基因和247個顯著下調(diào)的差異基因，這些基因主要富集在碳水化合物代謝，消化系統(tǒng)，氨基酸代謝和脂質(zhì)代謝途徑上（圖6），表明高濃度CO2主要影響了西花薊馬成蟲體內(nèi)的營養(yǎng)水平，這與飼喂在eCO2下生長的菜豆葉的西花薊馬成蟲體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)含量變化相一致。另外，還從所有DEGs中篩選出了13個在eCO2條件下與西花薊馬成蟲抗性相關的保護酶或解毒酶的關鍵基因（表1）。
圖6. aCO2和eCO2條件下西花薊馬成蟲的KEGG通路富集分析
表1. aCO2和eCO2下生長的菜豆葉片飼養(yǎng)的西花薊馬成蟲體內(nèi)抗性相關的關鍵因子
總結(jié)
eCO2導致菜豆葉片中可溶性糖含量顯著增加，進而導致以其為食的西花薊馬體內(nèi)糖脂代謝紊亂，最終增加了其取食量。再加上西花薊馬侵染引起的菜豆葉片中基于營養(yǎng)、植物激素和次生代謝產(chǎn)物的防御反應相對減弱，最后在eCO2脅迫下薊馬對菜豆的危害加劇。
