玉米抵御粘虫取食的时空响应分析

	玉米抵御粘虫取食的时空响应分析
	SAIF UL MALOOK
导师	吴建强
学位专业	生物化学与分子生物学
关键词	系统反应玉米防御启动粘虫转录组 DNA甲基化。
摘要	摘要植物扎根于土壤之中，不能通过移动躲避昆虫危害，因此他们进化出独特的代谢化合物来抵御害虫。这些防御特性通常由茉莉酸（jasmonic acid, JA）以及其衍生物，尤其是茉莉酸异亮氨酸结合物（jasmonoyl-L-isoleucine, JA-Ile）等信号途径调控。相较于一直存在的组成型防御反应，诱导型防御反应对植物更为重要，其只有在害虫取食时才被诱导启动。值得一提的是，植物的防御化合物不仅在被危害部位积累，还会在没有受危害的系统部位诱导表达，这被称为系统抗性。玉米是世界上最重要的粮食作物，害虫取食是其稳产的严重威胁。因此，玉米已经进化出多种策略来抵御害虫取食。许多对害虫有毒或者起趋避作用的代谢产物，如丁布类化合物(Benzoxazinoids, Bxs)已在玉米中被发现，但它们在系统防御中的作用及调控机理有待研究。粘虫（Mythimna separata）是我国一种重要的取食玉米叶片的害虫，其诱导的玉米防御反应尚不清楚。因此，本研究主要围绕以下两部分展开：1) 粘虫诱导的本底以及系统玉米叶片的防御反应，以及2)粘虫诱导的玉米幼苗的Priming（防御启动）效应。第一章为研究背景，以“玉米受虫害诱导的时空防御反应”为主题，阐述植物如何与昆虫互作以保护自己。本章简要说明了植物受虫害诱导的防御反应，还包括玉米的诱导防御反应和Priming效应。第二章阐述了玉米对粘虫危害诱导的防御反应在受危害的本地叶片，以及在系统叶片中的响应模式。我们还探讨了植物激素和丁布类物质在本地和系统叶片的积累动态，以及系统叶片转录组的响应模式。此外，生物测定试验表明，粘虫在取食模拟粘虫危害处理（Wounding+oral secretion，W+OS）过玉米系统性叶片后体重比对照(取食健康的植株)增加得更少，这表明系统诱导的抗性增强了系统叶片的抗虫能力，也暗示了粘虫诱导的防御信号增加了系统叶片中抗虫化合物如丁布化合物的含量。为研究其调控机理，我们对系统叶片中的植物激素、丁布类物质，以及转录组进行了后续分析。我们在系统叶片中检测到丁布含量的增加，与之对应的是，系统叶片增强了对粘虫的抗性反应。在损伤或模拟粘虫危害后的系统叶片中，我们检测到JA/JA-Ile水平的增加，以及相应转录组的改变，包括Bx生物合成基因的转录水平改变，但只有模拟粘虫危害增加了系统叶片丁布的含量。启动子和共表达分析表明，转录因子bHLH57和WRKY34可能调控系统性叶片中丁布生物合成基因。此外，叶片去除实验表明，诱导后30分钟内系统信号迅速从处理叶片中传递到系统叶片。本研究为玉米对鳞翅目害虫防御反应的空间调控模式提供了新的视角。第三章探讨了粘虫诱导的防御启动效应。许多研究认为害虫取食是植物与昆虫之间的第一次互作。虫害引起植物的生理变化，这些变化可能对随后的害虫产生相应的影响。本研究的创新之处在于，从玉米被粘虫取食后进行研究，研究先期粘虫取食对后续鳞翅目害虫的影响，即先期虫害否能增强玉米对随后害虫的抗性。我们的证据表明，模拟粘虫处理（W+OS）的玉米对随后虫害引起的抗虫反应更快、更迅速，这种效应可持续到处理后的12天。此外，三种不同的玉米自交系对预处理有反应，即对随后的害虫抗性增强，表明玉米中普遍存虫害诱导的防御启动效益。然而，玉米对单行W+OS预处理没有反应，说明害虫取食时危害的强度/密度和损伤面积可以影响玉米的防御启动效应。为了解析控制Priming的主要途径，我们测定了玉米中JA、JA- Ile和水平，并利用玉米自交系W22的转座子插入突变体，探讨了丁布和JA的作用。我们发现丁布类生物合成途径(bx2)和JA合成途径(lox8)的突变显著促进了粘虫的生长，同时这些突变丧失了防御启动效应。与对照相比，经W+OS预处理的叶片表现出更强或更快的转录调控，且W+OS处理后差异转录更为显著。基因聚类分析表明，显著控转录本在生物过程(Biological process，BPs)中富集。例如，上调基因参与了抗虫防御和信号传导相关的生物功能。然而，下调的基因在光合作用相关过程中丰富，这表明防御和生长之间的权衡。我们还关注了DNA甲基化，这是一种保守的表观遗传机制，涉及许多生物学过程，包括植物抗虫抗病相关过程。对第三片叶的模拟粘虫危害之后，第四片叶在接收进一步模拟粘虫危害前后，分别特异诱导了2302个和3662个差异甲基化区(Differentially Methylated Regions, DMRs)。这表明预处理显著改变了玉米苗的甲基化状态。因此，我们的研究表明，虫害胁迫可以诱导植物通过调控植物激素、次生代谢物、转录组以及DNA甲基化，进而对随后的虫害胁迫做出反应。这种先期虫害胁迫造成的对后续虫害的防御反应的增强，是植物抵御害虫的有利武器。第四章对粘虫诱导的玉米叶片防御启动效应在叶内和不同叶片间的差异都进行了讨论。我们解释了系统的移动信号是如何从受伤叶片传输到系统叶片的。此外，我们还回答了转录组和DNA甲基化如何参与调控玉米的防御启动效应。本博士论文证明了玉米应对粘虫危害可以启动特异防御反应，且随时间和空间的变化而变化。此外，防御启动效应在所有被测自交系中都是保守的，而且是OS特异性诱导的。我们的遗传分析表明JA和丁布参与防御启动，且JA位于丁布的上游。此外，模拟虫害诱导的DNA甲基化可能参与防御启动效应，进而增强对后续害虫的抗性反应。本研究全面解析了玉米抵御粘虫取食抗虫机理时空响应模式，为抗虫玉米分子育种提供理论参考。
	2019-06
学位授予单位	中国科学院昆明植物研究所
学位名称	博士
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.kib.ac.cn/handle/151853/73982
专题	昆明植物所硕博研究生毕业学位论文
推荐引用方式 GB/T 7714	SAIF UL MALOOK. 玉米抵御粘虫取食的时空响应分析[D]. 中国科学院昆明植物研究所,2019.

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玉米抵御粘虫取食的时空响应分析.pdf（4719KB）	学位论文		限制开放	CC BY-NC-ND	请求全文