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

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6d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2d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6d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2d时仅6-磷酸果糖含量显著下降。蚜虫为害6d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6d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2d时与对照不存在显著差异，说明蚜虫在为害6d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2d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6d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、12h可诱导CsANR相对表达水平，且在为害后3h和12h达到极显著差异，而CsLAR的表达量在茶尺蠖为害后6h和12h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6d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。

目录

声明

摘要

英文缩略表

第一章 引言

1．1 代谢组学技术

1．1．1 代谢组学分析方法

1．1．2 植物代谢组学研究

1．2 植物与植食性昆虫互作研究进展

1．2．1 植物激素调控植物抗虫防御反应

1．2．2 植食性昆虫为害诱导植物抗性

1．2．3 非植食性昆虫取食诱导的抗性

1．3 本研究的目的与意义

第二章 蚜虫为害茶树叶片代谢组学分析

2．1 材料与方法

2．1．1 材料

2．1．2 方法

2．1．3 数据统计与分析

2．2 实验结果

2．2．1 样品小分子代谢物定性

2．2．2 蚜虫为害茶树叶片代谢组分析

2．3 讨论

2．3．1 蚜虫侵染对碳代谢途径的影响

2．3．2 氨基酸类代谢物质在侵染过程中的作用

2．3．3 蚜虫为害时间对茶树叶片代谢物影响

第三章 茶尺蠖幼虫取食提高茶树儿茶素代谢响应强度

3．1 材料与方法

3．1．1 供试茶苗

3．1．2 供试昆虫

3．1．4 基因表达量分析

3．1．5 儿茶素类含量测定

3．1．6 数据统计与分析

3．2 实验结果

3．2．1 幼虫为害诱导CsLAR和CsANR的表达水平比较

3．2．2 幼虫为害诱导茶树叶片儿茶素类化合物的积累

3．3 讨论

第四章 芦丁对茶尺蠖生长发育的影响

4．1 材料与方法

4．1．1 材料

4．1．2 茶尺蠖人工饲料的配制

4．1．3 茶尺蠖生测

4．1．4 茶苗处理

4．1．5 芦丁含量测定

4．1．6 数据统计与分析

4．2 实验结果

4．2．1 茶尺蠖人工饲料对茶尺蠖生长发育的影响

4．2．2 不同虫害处理对茶树芦丁含量的影响

4．2．3 芦丁对茶尺蠖生长发育的影响

4．3．1 茶尺蠖人工饲料评价

4．3．2 芦丁在茶树抗虫防御中的作用

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

作者简历