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文献解读

【文献解读】结合转录组和代谢物分析鉴定二斑叶螨侵染辣椒的防御反应

发布日期:2019-12-03 浏览次数:166


期刊:Journal of Experimental Botany

IF=5.36


       二斑叶螨 Tetranychus urticae (two-spotted spider mite, TSSM)是一种植食性节肢动物,据报道其侵染超过150种作物,尤其是茄科植物,包括辣椒。TSSM通过叶柄,气孔或表皮铺面细胞之间的细胞间隙穿透叶组织摄食,以维持叶表皮的完整性。有趣的是,关闭植物气孔是植物对TSSM摄食的第一个生理反应,导致光合速率和作物产量降低,同时光合基因表达下调。


研究概要


       植物通过对与防御相关激素的生产、防御基因的表达以及次生代谢产物的生产进行微调来调节对植食性动物的反应。茉莉酸(jasmonicacid,JA)在植物-植食性节肢动物相互作用中起着关键作用。为了了解辣椒(Capsicu mannum)对植食性动物的反应,研究了两种不同基因型辣椒叶片转录和代谢产物对二斑叶螨敏感性的影响。螨诱导茉莉酸(JA)和水杨酸(SA)信号转导。然而,受螨侵染以及外源JA的影响,其转录组呈现出明显的差异。与JA相比,螨诱导的差异表达基因较少参与代谢过程(除了参与苯丙酸途径的基因)和脂类代谢过程。此外,在螨虫侵染时,可能更强烈地诱导了包括WRKY转录因子在内的病原体相关防御反应,这可能是诱导SA信号转导的结果。对次生代谢产物的非靶向分析证实:JA处理比二斑叶螨侵染引起的代谢变化更大,导致萜类和类黄酮的产生更高。抗性较强的基因型在侵染后会使内源JA和挥发性以及非挥发性次生代谢产物增长较大,这可以解释其具有较强的防御能力。有理由认为,在JA-SA拮抗串扰中,SA防御优先于JA防御,因此我们推测缺少SA介导的JA诱导防御抑制可能导致辣椒对二斑叶螨的抵抗力增强。


技术·路线



平台·软件


       转录组测序:Illumina HiSeq™2500;

       植物激素:UPLC® System -Xevo™ TQ-S(Waters, USA);

       挥发性代谢物:顶空GC-QTOF;数据库NIST98;软件:MassHunter解卷积;MZIV2.23用于基线校正、质谱提取和质量信号校准。

       内源性半极性代谢物:UHPLC2695-QTOF-MS(Waters, USA);软件:Metalign用于基线校正、质谱提取和质量信号比对;数据库:knapsack;


结·果


1、两种辣椒基因型二斑叶螨的性能研究


       统计4d后两种基因型辣椒上二斑叶螨的种群数量,包括:成虫、卵以及若虫;三周后观察叶片上斑点发生情况。都可以看出G8更容易受到TSSMs的攻击。

图1 辣椒上二斑叶螨的种群生长

注:浅灰色条:G29;白色条:G8;


2、辣椒对二斑叶螨摄食的诱导效应

2.1 转录组分析


       为了表征辣椒中TSSM诱导的防御反应的机制并弄清植物激素(特别是JA)在此过程中的作用,将TSSM诱导的转录组反应与JA诱导的进行了比较。主成分分析表明,不同基因型对TSSM侵染的易感性有不同的转录组分谱,无论它们是否被侵染。饲喂TSSM后,两种基因型的转录谱均沿相同方向变化,而施用JA时,两种基因型的转录谱均沿相反方向变化。


图2 二斑叶螨侵染或施用JA后的转录变化

注:(A)在叶片中检测到的所有转录本(RPKM值)的主成分分析(得分图)。数据点代表不同的样本。SM,叶片感染TSSMs 3d;JA6,茉莉酸处理6h;JA24,茉莉酸处理24h。前3个PCs解释了41.4%的总变化。(B)在每种实验条件下上调和下调的差异表达基因(DEGs)的数量。(C)在每个实验条件下检测到的DEGs表达量的聚类分析和热图。颜色编码表示log2倍数变化诱导(红色)或抑制(蓝色)的范围。(D)两个基因型的TSSMs诱导的DEGs特征或重叠数。


2.2 防御相关植物激素


       TSSMs侵染显著增加了两种辣椒基因型中的cis-ODA、JA和SA,以及G29基因型中的JA-Ile(图3A),表明TSSMs诱导辣椒中JA和SA代谢产物的产生。TSSMs侵染导致参与JA和SA生物合成的多个基因的差异表达(图3B,C)。参与α-亚油酸(JA生物合成的早期中间体)形成的基因包括去饱和酶和脂肪酶,它们在膜脂分解中起着重要作用。在TSSM侵染时,这两种基因型中的几个基因在两种基因型中都有差异调节。


图3 二斑叶螨在JA和SA途径中诱导的应答

注:(A)TSSM侵染后应激相关激素的log2倍变化。(B)在茉莉酸(JA)生物合成和信号级联中涉及的基因的log2折叠变化的热图。(C)在水杨酸(SA)生物合成和信号级联相关基因的log2倍变化热图。在级联方案中,化合物以粗体表示,酶以斜体表示。(D)TSSM侵染后水杨酸甲酯(MeSA)和茉莉酸甲酯(MeJA)、SA和JA的挥发性代谢物的log2倍变化。


2.3 挥发性和非挥发性代谢


       非挥发性代谢物的PLS-DA解释了前两个成分中40%的数据集变化(图4A)。在TSSM侵染3d 后,在可见损伤前,与未侵染植物相比,G29中14种代谢产物被显著上调,而7个被抑制(图4B)。JA引起的代谢物的变化比TSSMs所引起的变化更大,包括萜类化合物、黄酮类化合物和生物碱。

图4 二斑叶螨侵染或施用JA后特殊代谢的变化

注:(A)在叶片中检测到的内源性半极性代谢物的偏最小二乘判别分析(评分图)。数据点代表不同的样本。(B)在每一实验条件下被发现明显诱导或抑制的代谢特征(精确质量和假定的生物分类)。颜色编码表示log2倍变化诱导(红色)或抑制(蓝色)。(C)涉及特定代谢物生物合成的选定基因的log2(FC)。虚线表示log2(FC)=1。苯丙酸生物合成和萜类生物合成。(D)非侵染和TSSM侵染辣椒植物释放挥发性代谢物的主成分分析(评分图)。开放的圆圈表示未感染的G8,开放的正方形表示未感染的G29,填好的符号表示TSSM侵染的样本。


图5 捕食性螨虫的吸引

注:用两种选择的嗅觉仪吸引到TSSM感染的C.annuum植物的气味中的成年雌虫的百分比。每种基因型的TSSM侵染植物和非侵染植物重复4次,两种基因型的TSSM侵染植株进行8次比较。在每个试验中,对20只成年捕食性螨进行测试(χ2检验,P<0.05)。


       两种基因型在TSSM侵染时对捕食性螨的吸引力增强,但G8的气味混合比G29更有吸引力(图5)。


2.4 两种基因型构成防御能力是相似的

图6 拮抗防御

注:在非诱导植物中显示内源性半极性代谢物的火山图。以红色方块表示的是两个基因型之间显著差异[-log10(p)>1.30且Log2(FC)>2.3]的化合物。数据基于每种基因型的三个重复。


       对植食性动物的最后防御水平取决于对虫害的诱导防御的大小以及基础防御水平。因此,我们比较了非侵染/侵染条件下两种基因型的转录组。在非侵染/侵染的两种基因型中,G29中没有显著富集的GO功能条目(FDR<0.05);相反,对生物刺激和对应激反应的GO功能响应于G8中具有较高表达的基因。显然,这些组成型表达的基因在防御方面没有发挥重要作用,因为G8更容易受到影响。相比之下,在比较非诱导植物的代谢产物分布时,在G8植物中没有发现代谢产物特征大于3倍[log2(1.58)],而在G29中,与G8相比,非侵染植物的16个代谢产物特征明显丰富(P<0.05)(图6)。这些代谢产物中的大部分是类黄酮,还有两种二萜苷类。


2.5 通过缺乏SA诱导的JA防御抑制而获得植食性动物抗性能力?


图7二斑叶螨诱导的WRKY70

注:在用SA喷洒或二斑叶螨侵染时诱导WRKY70同源基因。转录水平计算为log2(FC)。亮灰色表示G8,深灰色表示G29。数据是三个生物重复的平均值±SE。


       当两个基因型的植物同样由SA诱导或以相同数量的TSSMs侵染时,在G8中,与G29相比,分析的3个WRKY70基因中有2个更强地被诱导(图7),表明G29对TSSMs的相对抗性较高,部分原因可能是缺乏SA诱导的JA相关防御的抑制,可能是通过WRKY70。


小结


       该研究通过比较转录组变化和相应的代谢组变化,全面概述了二斑叶螨和JA诱导的辣椒C.annuum中的反应,并深入了解了具有标志性的JA-SA串扰。JA诱导广泛的代谢过程并抑制光合作用,而二斑叶螨诱导SA的生物合成,从而诱导SA信号传导以及JA的生物合成途径,导致SA和一些JA响应基因的表达。研究数据表明,外源JA可能通过上调类黄酮生物合成途径来抑制SA信号,该途径可能与SA生物合成竞争,并抑制SA应答调节因子WRKY70。另一方面,TSSM侵染诱导的SA信号可能通过诱导MYC抑制因子的表达来抑制JA信号通路中MYC调节的分支。在我们的进一步研究中,我们旨在探讨辣椒中这种相互拮抗的JA-SA串扰的细节及其对专门代谢和对细胞喂养的螯形螨的直接和间接防御的影响。

       

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Tina | 文案

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