2022-03-15
期刊：《Environmental Pollution》
影响因子：8.071
文章题目：Elevated CO2 aggravates invasive thrip damage by altering its host plant nutrient and secondary metabolism
技术手段：RNA-seq，q RT-PCR
派森诺与南京农业大学携手合作，于近期在《Environmental Pollution》上发表关于升高的CO2浓度通过改变西花蓟马寄主植物的营养和次生代谢加剧了其入侵危害的相关研究成果。
研究背景
CO2作为植物光合作用的重要原料，对植物的生理功能有着重要的作用。近年来全球大气CO2浓度不断上升，这导致植物组织中碳氮比增加，影响了植物初/次级代谢产物的生物合成，进而改变植物营养成分和次级防御物质的含量和组成，最终间接地影响草食性昆虫的取食行为和生长发育。之前关于高CO2浓度（eCO2）对草食昆虫影响的研究主要集中在根据eCO2引起的寄主植物养分变化来预测其种群的动态变化，但有关eCO2对草食昆虫和植物之间相互作用的影响及其分子机制研究甚少。
本研究模拟未来大气CO2浓度升高时西花蓟马与菜豆的相互作用环境，通过RNA测序（RNA-seq）技术和对比分析，从转录水平来探究在eCO2下西花蓟马与菜豆之间的相互作用关系，旨在预测高浓度CO2下西花蓟马未来的发生趋势，为今后气候变化下西花蓟马对农业生产的危害提供理论依据。
研究思路
研究结果
1．在aCO2和eCO2条件下生长的健康及蓟马入侵菜豆叶片的转录组分析
菜豆叶片的转录组学分析结果表明，在aCO2条件下，与CK相比，T 处理有1679个基因表达显著上调，1386个基因表达显著下调；在eCO2条件下，与CK相比，T处理有2541个基因表达显著上调，1757个基因表达显著下调。
为进一步明确菜豆抵御西花蓟马入侵的生物通路，对所有差异基因进行了KEGG通路富集分析。结果表明，菜豆可以通过调节叶片内营养和能量代谢，氨基酸代谢，创伤信号转导和次生代谢来抵御西花蓟马的入侵危害（图1A和B）。其中，在与植物能量和营养相关的途径中，乙醛酸和二羧酸盐代谢、淀粉和蔗糖代谢、糖酵解/糖异生3条途径在eCO2下表现出较多的差异基因（DEGs）。其次，4条与氨基酸代谢相关的途径显著富集，其中甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢途径在eCO2下DEGs较多，2条与创伤信号转导相关的途径包括MAPK信号通路和植物激素信号转导均显著富集，二者在eCO2下DEGs较多。最后，与次级代谢(即苯丙素生物合成)相关的显著富集途径被认为在菜豆对蓟马的抗性中起着重要作用。
图1. aCO2和eCO2条件下菜豆叶片的KEGG通路富集分析
2．eCO2影响西花蓟马成虫取食后菜豆叶片的营养水平
eCO2可显著提高健康菜豆叶片及叶片汁液中可溶性糖的含量(图2A和B)。在aCO2和eCO2条件下，与CK相比，各T处理中总蛋白含量和可溶性糖含量均显著下降，总氨基酸含量和游离脂肪酸含量均显著增加了（图2A）。然而，在相应的西花蓟马侵染叶片的汁液中，这些营养相关的防御物质在eCO2下的变化并不明显（图2B）。另外，根据RNA-seq结果选择了9种被认为在菜豆防御蓟马入侵中起重要作用的氨基酸进行含量测定，结果表明在eCO2下西花蓟马侵染显著影响了叶片中苏氨酸、谷氨酸和亮氨酸的含量和叶片汁液中天冬氨酸、苏氨酸、丙氨酸和苯丙氨酸的含量（图2C和D）。
图2. aCO2和eCO2处理下菜豆叶片及叶片汁液的相关营养物质测定
3．eCO2影响菜豆防御西花蓟马侵染的反应
首先发现eCO2对正常菜豆叶片中的创伤关键信号分子（水杨酸JA、茉莉酸SA和乙烯ETH）和主要次生代谢产物（黄酮、木质素、香豆素和生物碱）的含量产生了一定的影响。其次，正常CO2浓度下，西花蓟马侵染菜豆叶片36h后，叶片及叶片汁液中上述物质含量也表现出显著的差异；而在eCO2条件下，T 处理叶片中JA，SA和ETH含量差异变化并不显著，木质素含量显著增加了32.46%，叶片汁液中JA和生物碱的含量分别显著降低了88.86%和40.18%，黄酮含量则显著增加了49.77%（图3）。
图3. 菜豆防御西花蓟马成虫侵害的关键信号分子和次生代谢产物的含量测定
4．eCO2影响菜豆叶上取食的西花蓟马成虫的生理指标
与aCO2相比，饲喂在eCO2下生长的菜豆叶的西花蓟马成虫寿命缩短和体重增加，雌性成虫生殖力无显著差异（图4）。另外，蓟马成虫体内海藻糖（TRE），葡萄糖（GLC），甘油三酯（TG）和游离脂肪酸（FFA）的含量均显著增加，总氨基酸含量显著降低（图5A），其中大部分氨基酸含量均显著降低（图5B）。
图4. 取食aCO2和eCO2下生长菜豆叶片的西花蓟马成虫的生理指标
图5. aCO2和eCO2条件下取食菜豆叶片的西花蓟马成虫体内主要营养成分含量的测定
5．在aCO2和eCO2条件下取食菜豆叶的西花蓟马成虫的转录组分析
与aCO2相比，eCO2条件下西花蓟马成虫体内有156个显著上调的差异基因和247个显著下调的差异基因，这些基因主要富集在碳水化合物代谢，消化系统，氨基酸代谢和脂质代谢途径上（图6），表明高浓度CO2主要影响了西花蓟马成虫体内的营养水平，这与饲喂在eCO2下生长的菜豆叶的西花蓟马成虫体内营养物质含量变化相一致。另外，还从所有DEGs中筛选出了13个在eCO2条件下与西花蓟马成虫抗性相关的保护酶或解毒酶的关键基因（表1）。
图6. aCO2和eCO2条件下西花蓟马成虫的KEGG通路富集分析
表1. aCO2和eCO2下生长的菜豆叶片饲养的西花蓟马成虫体内抗性相关的关键因子
总结
eCO2导致菜豆叶片中可溶性糖含量显著增加，进而导致以其为食的西花蓟马体内糖脂代谢紊乱，最终增加了其取食量。再加上西花蓟马侵染引起的菜豆叶片中基于营养、植物激素和次生代谢产物的防御反应相对减弱，最后在eCO2胁迫下蓟马对菜豆的危害加剧。
