论文部分内容阅读
植物的诱导抗虫性（ Induced anti-herbivore resistance）和诱发抗虫性（ primed anti-herbivore defense）是植物免疫系统的重要功能。诱导抗虫性是指植物在遭受植食性昆虫为害后，能产生各种诱导防卫反应，进而通过生理、生化及形态特征等多方面的变化而形成的抗虫特性；诱发抗虫性是植物通过坏死性病原体、有益微生物、天然的或合成的化学物质等环境信号刺激所获得的一种防御病虫害的能力，受刺激后的植物一旦受到病虫害的危害，植物能更快速更强地对病虫害进行抵御，从而更经济、有效地增强植物抗性。
水稻作为世界三大粮食作物之一，是单子叶植物研究的模式植物，它能通过克隆生长形成一个由克隆分株和间隔子组成克隆植物网络。克隆植物网络具有生理整合作用，物质能通过连接物或间隔子在克隆分株之间由源到汇地进行物质或资源（如光合同化产物、矿质养分和水分等）的运输与分享，但目前对病虫害等生物逆境胁迫所产生的防御信号是否在克隆植株间传递与共享还缺乏足够研究。另外，茉莉酸信号转导途径和水杨酸信号转导途径在水稻对抗专食性害虫稻纵卷叶螟（ Cnaphalocrocis medinalis, rice leaf folder, LF）和褐飞虱（Nilaparvata lugens, brown planthopper, BPH）中发挥了重要的作用，但这两条信号转导途径是否可以参与水稻抗虫信号在克隆植株间传递还不清楚。
本研究以单子叶分蘖植物水稻作为研究对象，以不同口器害虫（稻纵卷叶螟；褐飞虱）和防御信号物质（茉莉酸甲酯MeJA；水杨酸SA）处理水稻主茎（供体分株），研究一级分蘖（受体分株）被诱导和诱发后两种情况下抗虫性、抗虫相关酶活性和抗虫相关基因表达的变化。诱导处理是指主茎被害虫取食或者信号物质处理2d后，检测一级分蘖的抗虫性与防御反应。诱发处理是指主茎被害虫取食或者信号物质处理15d后，才开始检测一级分蘖的抗虫性与防御反应。主要研究结果如下：
（1）野生型水稻植株主茎（供体）被LF取食或MeJA喷施处理2d之后，取食一级分蘖（受体）的LF体重增量显著低于对照组，一级分蘖表现出更强的抗虫性，表明主茎与分蘖植株间能进行防御信号传递，存在克隆植物网络系统抗性。而当OsCOI1基因被沉默后，一级分蘖对LF的抗性没有明显影响。
（2）被 LF取食或 MeJA喷施诱导处理主茎（供体）2d后，当野生型水稻植株一级分蘖（受体）遭受LF危害时叶片内与茉莉酸信号转导途径相关的PPO、POD、LOX抗性酶活性、JA和 TrypPI含量显著高于未被诱导的野生型水稻植株一级分蘖， OsCOI1、OsLOX、OsAOC、OsAOS等与茉莉酸信号转导途径相关的防御基因以及胰蛋白酶抑制剂合成酶基因OsBBPI超量表达。表明供体被害虫取食或防御信号物质处理启动了相关防御系统，并通过克隆植物网络使一级分蘖（受体）也启动了抗虫防御反应，诱导其提高了抗虫能力。而在OsCOI1 RNAi水稻植株中，处理组水稻的PPO、POD酶活性、JA和TrypPI含量、OsCOI1基因表达量与完全空白对照组和主茎未作处理但一级分蘖被取食的对照组相比无显著差异，但 LOX酶活性发生上升。此外，两个处理组的OsAOC、OsAOS和OsBBPI基因与完全空白相比超量表达，但和主茎未作处理但一级分蘖被取食的对照组相比无显著差异。结果表明OsCOI1基因的沉默阻断了茉莉酸信号转导途径，影响了防御信号的传递以及OsCOI1植株一级分蘖（受体）防御系统的激活和调控，虽然部分防御酶和基因与对照有显著差异，但整体上一级分蘖的抗虫性未得以提高，未体现出更快更强的抗虫能力。证实了克隆植物网络中受体能否从供体获得系统诱导抗性以增强对 LF的抗性主要依赖于茉莉酸信号转导途径的激活和调控。
此外，在实验中野生型和OsCOI1 RNAi水稻植株的PAL酶活性发生下降，SA含量也未增加。表明水稻植株遭受咀嚼式口器害虫危害时不以水杨酸信号转导途径来进行防御，水杨酸信号转导途径和茉莉酸信号转导途径间存在拮抗关系。
（3）主茎（供体）被BPH取食或SA喷施处理后，取食被诱导一级分蘖的褐飞虱分泌的蜜露量显著低于对照组（P<0.05），取食被诱发后的一级分蘖的褐飞虱分泌的蜜露量也达到了极显著的效果（P<0.01）。表明BPH危害或水杨酸处理水稻克隆植物网络的主茎（供体），无论诱导或诱发均可以提高受体（一级分蘖）的抗虫性。此外，诱发防御反应实验中部分防御酶活性、SA含量上升幅度以及部分基因上调倍数整体上高于诱导防御反应，表明通过诱发获得的防御警备能力的受体在抵御害虫危害时强于通过诱导获得抗性的受体。
（4）主茎（供体）被BPH取食或SA喷施处理后，一级分蘖（受体）遭受到褐飞虱的危害时，其叶鞘内的PAL、POD、LOX防御酶活性和JA、SA、TrypPI含量，水杨酸信号转导途径相关基因OsPAL，茉莉酸信号转导途径相关基因OsCOI1、OsAOC、OsAOS、OsLOX，病原相关蛋白基因 OsPR1、OsNPR1，胰蛋白酶抑制剂合成酶基因OsBBPI以及转录因子相关基因OsWRKY70的表达速度和水平显著快于和高于对照组。表明BPH取食及SA处理主茎能诱导和诱发克隆网络中一级分蘖的抗虫性和警备能力，在抗虫中能更快地激活相关防御信号途径，调控水稻植株对害虫的防御，表现出更快更强的抗虫性。
此外，在实验中与JA、SA信号转导途径相关的部分防御酶活性、信号物质含量、防御基因表达量升高或上调，不仅验证了这些JA、SA信号转导途径参与调控这些防御酶，也表明这两条信号转导途径在水稻克隆网络中都参与了防御信号传递和对BPH的抗性。
这些研究结果表明：水稻克隆植株之间存在防御信号通讯网络，当一个克隆分株受到虫害袭击后，水稻将启动克隆植株间的防御信号通讯网络，激活克隆网络系统中其它克隆分株的抗虫防御反应，进而诱导水稻产生克隆网络系统抗性或处于抗虫防御诱发警备状态（primed state），当再次遭受害虫为害时，表现出更强的抗虫性，这些防御主要依赖于对JA、SA信号转导途径的激活和调控。该研究揭示了水稻不同克隆分株间化学通讯和水稻克隆植物网络的诱导防御信号及传递机制，对阐明克隆植物网络的生态学功能和揭示植物在种群层次的系统抗虫性具有重要意义，并为利用克隆植物自身的抗性体系来对害虫进行生态控制提供了理论基础。
水稻作为世界三大粮食作物之一，是单子叶植物研究的模式植物，它能通过克隆生长形成一个由克隆分株和间隔子组成克隆植物网络。克隆植物网络具有生理整合作用，物质能通过连接物或间隔子在克隆分株之间由源到汇地进行物质或资源（如光合同化产物、矿质养分和水分等）的运输与分享，但目前对病虫害等生物逆境胁迫所产生的防御信号是否在克隆植株间传递与共享还缺乏足够研究。另外，茉莉酸信号转导途径和水杨酸信号转导途径在水稻对抗专食性害虫稻纵卷叶螟（ Cnaphalocrocis medinalis, rice leaf folder, LF）和褐飞虱（Nilaparvata lugens, brown planthopper, BPH）中发挥了重要的作用，但这两条信号转导途径是否可以参与水稻抗虫信号在克隆植株间传递还不清楚。
本研究以单子叶分蘖植物水稻作为研究对象，以不同口器害虫（稻纵卷叶螟；褐飞虱）和防御信号物质（茉莉酸甲酯MeJA；水杨酸SA）处理水稻主茎（供体分株），研究一级分蘖（受体分株）被诱导和诱发后两种情况下抗虫性、抗虫相关酶活性和抗虫相关基因表达的变化。诱导处理是指主茎被害虫取食或者信号物质处理2d后，检测一级分蘖的抗虫性与防御反应。诱发处理是指主茎被害虫取食或者信号物质处理15d后，才开始检测一级分蘖的抗虫性与防御反应。主要研究结果如下：
（1）野生型水稻植株主茎（供体）被LF取食或MeJA喷施处理2d之后，取食一级分蘖（受体）的LF体重增量显著低于对照组，一级分蘖表现出更强的抗虫性，表明主茎与分蘖植株间能进行防御信号传递，存在克隆植物网络系统抗性。而当OsCOI1基因被沉默后，一级分蘖对LF的抗性没有明显影响。
（2）被 LF取食或 MeJA喷施诱导处理主茎（供体）2d后，当野生型水稻植株一级分蘖（受体）遭受LF危害时叶片内与茉莉酸信号转导途径相关的PPO、POD、LOX抗性酶活性、JA和 TrypPI含量显著高于未被诱导的野生型水稻植株一级分蘖， OsCOI1、OsLOX、OsAOC、OsAOS等与茉莉酸信号转导途径相关的防御基因以及胰蛋白酶抑制剂合成酶基因OsBBPI超量表达。表明供体被害虫取食或防御信号物质处理启动了相关防御系统，并通过克隆植物网络使一级分蘖（受体）也启动了抗虫防御反应，诱导其提高了抗虫能力。而在OsCOI1 RNAi水稻植株中，处理组水稻的PPO、POD酶活性、JA和TrypPI含量、OsCOI1基因表达量与完全空白对照组和主茎未作处理但一级分蘖被取食的对照组相比无显著差异，但 LOX酶活性发生上升。此外，两个处理组的OsAOC、OsAOS和OsBBPI基因与完全空白相比超量表达，但和主茎未作处理但一级分蘖被取食的对照组相比无显著差异。结果表明OsCOI1基因的沉默阻断了茉莉酸信号转导途径，影响了防御信号的传递以及OsCOI1植株一级分蘖（受体）防御系统的激活和调控，虽然部分防御酶和基因与对照有显著差异，但整体上一级分蘖的抗虫性未得以提高，未体现出更快更强的抗虫能力。证实了克隆植物网络中受体能否从供体获得系统诱导抗性以增强对 LF的抗性主要依赖于茉莉酸信号转导途径的激活和调控。
此外，在实验中野生型和OsCOI1 RNAi水稻植株的PAL酶活性发生下降，SA含量也未增加。表明水稻植株遭受咀嚼式口器害虫危害时不以水杨酸信号转导途径来进行防御，水杨酸信号转导途径和茉莉酸信号转导途径间存在拮抗关系。
（3）主茎（供体）被BPH取食或SA喷施处理后，取食被诱导一级分蘖的褐飞虱分泌的蜜露量显著低于对照组（P<0.05），取食被诱发后的一级分蘖的褐飞虱分泌的蜜露量也达到了极显著的效果（P<0.01）。表明BPH危害或水杨酸处理水稻克隆植物网络的主茎（供体），无论诱导或诱发均可以提高受体（一级分蘖）的抗虫性。此外，诱发防御反应实验中部分防御酶活性、SA含量上升幅度以及部分基因上调倍数整体上高于诱导防御反应，表明通过诱发获得的防御警备能力的受体在抵御害虫危害时强于通过诱导获得抗性的受体。
（4）主茎（供体）被BPH取食或SA喷施处理后，一级分蘖（受体）遭受到褐飞虱的危害时，其叶鞘内的PAL、POD、LOX防御酶活性和JA、SA、TrypPI含量，水杨酸信号转导途径相关基因OsPAL，茉莉酸信号转导途径相关基因OsCOI1、OsAOC、OsAOS、OsLOX，病原相关蛋白基因 OsPR1、OsNPR1，胰蛋白酶抑制剂合成酶基因OsBBPI以及转录因子相关基因OsWRKY70的表达速度和水平显著快于和高于对照组。表明BPH取食及SA处理主茎能诱导和诱发克隆网络中一级分蘖的抗虫性和警备能力，在抗虫中能更快地激活相关防御信号途径，调控水稻植株对害虫的防御，表现出更快更强的抗虫性。
此外，在实验中与JA、SA信号转导途径相关的部分防御酶活性、信号物质含量、防御基因表达量升高或上调，不仅验证了这些JA、SA信号转导途径参与调控这些防御酶，也表明这两条信号转导途径在水稻克隆网络中都参与了防御信号传递和对BPH的抗性。
这些研究结果表明：水稻克隆植株之间存在防御信号通讯网络，当一个克隆分株受到虫害袭击后，水稻将启动克隆植株间的防御信号通讯网络，激活克隆网络系统中其它克隆分株的抗虫防御反应，进而诱导水稻产生克隆网络系统抗性或处于抗虫防御诱发警备状态（primed state），当再次遭受害虫为害时，表现出更强的抗虫性，这些防御主要依赖于对JA、SA信号转导途径的激活和调控。该研究揭示了水稻不同克隆分株间化学通讯和水稻克隆植物网络的诱导防御信号及传递机制，对阐明克隆植物网络的生态学功能和揭示植物在种群层次的系统抗虫性具有重要意义，并为利用克隆植物自身的抗性体系来对害虫进行生态控制提供了理论基础。