基于代谢组学的蚜虫为害降低茶树对茶尺蠖的抗性机制研究

发布时间：2020-04-01 04:01

【摘要】：植物在自然界中并不是孤立存在的,一种植物往往同时受到多种害虫的共同为害。植食性昆虫取食造成植物组织缺失、营养流失,这必然引起受害植物体内代谢物发生变化,并对植物抗虫防御产生重要影响。茶树是我国重要的经济作物,在自然条件下能被超过60多种害虫为害。蚜虫和茶尺蠖是茶树上发生频繁且为害严重的重要害虫,并且两者在自然条件下可在同一茶树上同时发生。前期研究结果表明,与对照相比,取食蚜虫为害6 d后的茶苗,茶尺蠖幼虫的生长发育显著加快,而取食蚜虫为害2 d后的茶苗,茶尺蠖幼虫的生长发育无显著变化。基于此,本论文在国内外现有的植物上多虫互作研究结果的基础上,结合本课题组在茶尺蠖与蚜虫互作关系研究中的进展,选择蚜虫和茶尺蠖为害的茶树新稍第二叶作为研究对象,采用衍生化的GC-MS和HPLC对代谢物进行分析,比较了蚜虫为害不同时间和不同口器害虫引起的茶树代谢产物差异,并采用主成分分析(PCA)、偏最小二乘法-判别分析(OPLS-DA)等统计分析方法找到茶树潜在的生物活性化合物。并通过茶尺蠖人工饲料饲喂的方法,对蚜虫和茶尺蠖诱导的差异化合物芦丁对茶尺蠖生长发育影响进行体外功能验证。主要研究结果如下:(1)明确蚜虫为害对茶树呼吸作用的抑制作用与对照相比,蚜虫为害6 d时,降低了呼吸作用中1-磷酸葡萄糖、6-磷酸葡萄糖、6-磷酸果糖、柠檬酸、异柠檬酸、苹果酸和延胡索酸的含量,而光合作用合成产物蔗糖被显著积累,而蚜虫为害2 d时仅6-磷酸果糖含量显著下降。蚜虫为害6 d通过显著抑制茶树叶片呼吸作用途径,减少茶树叶片次级代谢产物合成的物质和能量供应。(2)蚜虫为害抑制茶树次级代谢物合成植物次级代谢物在抗虫防御中发挥重要作用。在蚜虫为害6 d时,莽草酸、4-羟基肉桂酸、绿原酸、没食子酸、柠苹酸、腐胺等抗虫防御化合物都显著低于对照,而蚜虫为害2 d时与对照不存在显著差异,说明蚜虫在为害6 d时抑制了茶树次级代谢产物的合成,导致植物对于茶尺蠖的直接或间接防御能力下降。(3)蚜虫为害显著诱导茶树多种游离氨基酸含量变化在蚜虫为害2 d的茶树叶片中,脯氨酸、酪氨酸、L-羟基脯氨酸和γ-氨基丁酸等游离氨基酸含量被显著上调,而在为害6 d的茶树叶片中L-羟基脯氨酸含量显著下调,脯氨酸和酪氨酸无显著变化。这些氨基酸广泛报道与植物抗逆相关,其含量的升高可能是茶树提高对蚜虫抗性的防御策略,而苏氨酸和丝氨酸等游离氨基酸含量的升高,可能有利于茶尺蠖的生长发育。(4)茶尺蠖为害诱导茶树次级代谢物儿茶素类的合成茶尺蠖幼虫为害后3、6、12 h可诱导CsANR相对表达水平,且在为害后3 h和12 h达到极显著差异,而CsLAR的表达量在茶尺蠖为害后6 h和12 h与对照具有显著差异。且儿茶素、表没食子儿茶素没食子酸酯、表儿茶素没食子酸酯、没食子儿茶素在茶尺蠖为害后显著高于对照,说明被茶尺蠖为害的茶树,儿茶素代谢途径被显著诱导,可能与茶树对茶尺蠖的诱导防御密切相关。(5)蚜虫和茶尺蠖差异诱导化合物芦丁有利于茶尺蠖生长芦丁是类黄酮类化合物,蚜虫为害后的茶树叶片芦丁的平均含量较对照上调了57%,而茶尺蠖为害的茶树叶片较对照下调了35%,蚜虫和茶尺蠖复合为害的茶树叶片与茶尺蠖为害相比,芦丁含量上调了62%。进一步的茶尺蠖行为测定发现,一定浓度的芦丁有利于茶尺蠖幼虫的生长发育。我们推测,芦丁的抗虫作用对不同害虫存在显著差异,茶树上调芦丁含量以防御蚜虫为害,然而这却让同样在该植株上取食的茶尺蠖获利。综上所述,蚜虫为害6 d诱导了茶树蔗糖、部分游离氨基酸、芦丁等有利于茶尺蠖生长的化合物含量升高,同时通过抑制茶树呼吸作用,从而降低了次级代谢物合成的物质和能量来源,最终使茶树对茶尺蠖的抗性降低。通过对差异化合物进行筛选,发现茶树抗虫靶标化合物,可为茶树绿色防控提供理论依据。
【图文】：

蚜虫,载荷图,主成分分析,代谢物

中国农业科学院硕士学位论文第二章蚜虫为害茶树叶片代谢组学分析2.2.2 蚜虫为害茶树叶片代谢组分析2.2.2.1 蚜虫为害对茶树叶片代谢影响利用 SIMCA-P 软件，先对蚜虫为害的茶树叶片与对照组进行了无监督的主成分分析（PCA），分析结果表明蚜虫为害 2 d 与 6 d 都能与对照组完全分开（图 2.2），说明蚜虫为害引起了茶树叶片代谢物发生了显著性变化，且在整个测定过程中稳定性良好。我们采用正交偏最小二乘方判别分析（OPLS-DA）除去与分类（如蚜虫为害组和对照组）不相关的噪音信息，获得 OPLS-DA 模型（图 2.2），，获得两组样本之间显著差异的代谢物信息。结果表明，蚜虫为害组与对照组进一步分开，同一处理的样品更加聚拢，根据各个样品中代谢物的载荷图，得到潜在差异化合物物，经独立样本 t 检验，蚜虫为害 2 d 得到 82 种主要的差异代谢物，蚜虫为害 6 d 得到 115 种主要的差异代谢物。

蚜虫,热图,代谢物,对照组

中国农业科学院硕士学位论文第二章蚜虫为害茶树叶片代谢组学没有仅在为害 2 d 的叶片中显著降低的物质。而柠苹酸、柠檬酸、没食子酸、莽草酸、延胡索异柠檬酸、苹果酸、绿原酸、4-羟基肉桂酸、缬氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸、6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖、甘油和腐胺在蚜虫为害 6 d 的叶片中的含量均显著低于对照，琥珀酸和蔗糖在为害 6 d 的叶片中的含量均显著高于，而这些物质在蚜虫为害 2 d 的茶树叶片中均无显著变综上，蚜虫为害 2 d 共引起 3 种有机酸、7 种氨基酸、3 种糖及其衍生物、1 种醇和 1 种生物著变化，蚜虫为害 6 d 共引起 10 种有机酸、9 种氨基酸、4 种糖及其衍生物、2 种醇和 1 种碱显著变化。2.2.2.3 蚜虫为害引起的差异代谢途径与对照相比，蚜虫为害 2 d 和 6 d 都引起了茶树叶片代谢物重新分配。差异化合物主要参了碳水化合物、氨基酸和有机酸的合成和代谢，代谢物的热图反映了所测定的化合物在不同中的浓度，其中，蚜虫为害 6 d 的茶树叶片中绝大多数代谢物显著下调（图 2.3）。
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S435.711

【参考文献】