2024年7月，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Pesticide Biochemistry and Physiology（一区top，IF：4.7）发表了题为“Physiological and molecular mechanism of Populus pseudo-cathayana×Populus deltoides response to 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，青山杨应对虫害胁迫的分子调控机制进行了解析。
图1 试验前的植株表型(A)，美国白蛾幼虫在0小时(B)、2小时(C)、4小时(D)、8小时(E)、16小时(F)和24小时(G)时啃食青山杨叶片的过程
1.不同时间下青山杨叶片生理指标的变化
为应对虫害胁迫，植物会启动相关防御酶进行防御，例如多酚氧化酶（PPO）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）、脂氧合酶（LOX）等这些酶可直接参与植物防御保护相关的次生代谢产物的生成过程，其酶活性的大小与寄主植物的防御抗性密切相关。本研究中，随着幼虫啃食时间的增加，PAL活性呈先升高后降低后升高的趋势。在本研究中LOX活性在N处理时最低，在H24时显著升高。随着咬食时间的延长，PPO活性逐渐升高，在H8时达到显著水平。
次生代谢物对植食性昆虫防御作用主要分为忌避与拒食、干扰昆虫体内酶活性、抑制生长发育、致死、引诱昆虫天敌及影响昆虫共生菌。本研究中，总酚含量和类黄酮含量的变化趋势大致相同。总酚含量在H4和H24时最高，类黄酮含量在H4时最高，在H16时最低。
图2 不同时间处理下的苯丙氨酸解氨酶 (A)、总酚(B)、类黄酮(C)、多酚氧化酶 (D)和脂氧合酶(E)的含量变化
2. 美国白蛾不同时间取食后青山杨叶片差异表达基因（DEGs）及功能注释
经过原始数据过滤和筛查，18个样本共筛出528788154条数据用于随后的生物信息学分析。转录组分析并鉴定了6个对照组（H4 vs N，H16 vs N，H24 vs N，H4 vs H16，H4 vs 24，H16 vs H24），共鉴定出11820个DEGs，分布如下：H4 vs N（6852个DEGs:3484个上调，3368个下调），H16 vs N（6963个DEGs:3505个上调，3458个下调）、H24 vs N（4731个DEGs:2905个上调，1826个下调），H4 vs H16（3800个DEGs:1668个上调，2132个下调）、H4 vs H24（4366个DEG：2651个上调，1715个下调）和H16 vs H24（3242个DEGs:2054个上调，1188个下调）。在6个比较组中，有240个共同的DEGs。
3. 相关基因家族
TFs在植物中广泛存在，在植物的生长、发育和响应非生物胁迫中发挥着重要作用。在本研究中，总共有252个DEGs被鉴定为编码TFs的基因，包含38个TF家族。下图显示了AP2/ERF（18%），MYB（14%），WRKY（7%），bHLH（6%），NAC（6%），bZIP（4%），GRAS（4%），C2H2（3%），C3H（3%），Tify（3%），C2C2（2%）和GARP-G2-like（2%）的分布。
图4 美国白蛾幼虫取食后编码转录因子(DEGs)表达量的变化
4. 美国白蛾不同时间啃食后青山杨叶片的代谢组分析
为了分析不同时期代谢物的差异，采用UPLC-MS/MS对4个样品（N、H4、H16和H24）进行了分析。在6个对照组中共鉴定出956个DAMs，其中H24 vs N最多（共679个DAMs: 522个上调，157个下调），H16 vs H24最少（共205个DAMs，138个DAMs上调，67个DAMs下调）。此外，H4 vs H16、H4 vs H24、H4 vs N和H16 vs N分别含有576个DAMs（上调451个，下调125个）、547个DAMs（上调355个，下调192个）、369个DAMs（上调107个，下调262个）和300个DAMs（上调166个，下调134个）。将956个DAMs分为12类。类黄酮（37%）和酚酸（12%）是最显著富集的DAMs。
图5 美国白蛾幼虫取食不同时间点后青山杨叶片中差异代谢物的鉴定
5. 茉莉酸通路和类黄酮通路
JA信号通路是介导植物抗虫性的关键。三个对照组（H4 vs N， H16 vs N， H24 vs N）中有30个 DEGs 和2个 DAMs 与 JA 通路相关。分析基因表达模式，热图集中显示。
12个基因，除POPTR_012G044900v3、POPTR_010G108200v3、POPTR_005G214300v3 和POPTR_008G133400v3 外，大多数JAZ 基因表达上调。此外，大部分MYC2 基因上调（共17个基因），其中JAR1 基因在H24中表达水平较高。茉莉酸和茉莉醇-l-异亮氨酸在H24中均显著上调，表明它们作为代谢物在青山杨对昆虫的抗性中起关键作用。
图7 类黄酮信号通路
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