姬蕨（Hypolepis punctata）对东洋散纹夜蛾（Callopistria japonibia）诱导型防御研究
作者单位：上海师范大学
学位级别：硕士
导师姓名：沈慧;戴锡玲
授予年度：2024年
主 题：植物与昆虫互作 东洋散纹夜蛾 姬蕨 诱导型防御 转录组测序
摘 要：植物的诱导型防御反应在植物应对昆虫取食时发挥重要作用。目前,人们对植物直接诱导型防御的认识仅局限于种子植物。蕨类植物是早期陆生维管植物的关键类群,而取食蕨类植物的昆虫远远少于种子植物,蕨类与昆虫的相互作用目前研究也较少。我们在野外多次观察到东洋散纹夜蛾取食姬蕨,由此针对两者之间的相互作用尤其是诱导型防御展开研究。本研究首先对东洋散纹夜蛾的生活史及其在蕨类植物中的适应性进行研究。东洋散纹夜蛾属于鳞翅目夜蛾科散纹夜蛾亚科散纹夜蛾属,其主要分布在环太平洋亚洲东部临海区域和中国华东和华中地区的丘陵地带。本研究通过室内观察对东洋散纹夜蛾形态进行详细描述;室内观察结果表明,幼虫龄期为5龄,卵期4天,1龄幼虫历期(3.22±0.63)天,2龄幼虫历期(2.11±0.31)天,3龄幼虫历期(2.29±0.61)天,4龄幼虫历期(3.38±0.65)天,5龄幼虫历期(3.58±0.61)天,预蛹期(4.45±0.5)天,蛹期(12.88±0.93)天,成虫期(4.96±1.30)天。本研究分别给东洋散纹夜蛾喂养不同蕨类植物中代表物种叶片来进一步探究东洋散纹夜蛾对蕨类植物整体的适应性格局。结果发现取食蕨类植物中的水龙骨目后,幼虫死亡速率较慢。说明东洋散纹夜蛾的取食选择更偏向于水龙骨目,东洋散纹夜蛾在蕨类植物中对水龙骨目的适应性更强。且“是否取食这一性状在蕨类植物的水龙骨Ⅰ和水龙骨Ⅱ两个支系中存在谱系信号,说明东洋散纹夜蛾的“蕨食性在水龙骨Ⅰ和水龙骨Ⅱ中是保守的。因此东洋散纹夜蛾对蕨类植物的取食选择与水龙骨Ⅰ和水龙骨Ⅱ的进化关系高度相关。由于在野外多次观察到东洋散纹夜蛾取食姬蕨,本研究推测姬蕨是东洋散纹夜蛾的寄主植物。为了验证这一假说,我们首先建立了利用姬蕨饲喂东洋散纹夜蛾的人工饲养体系,证明了在人工条件下用姬蕨作为食物来源,东洋散纹夜蛾可以正常发育并完成继代。本研究定量分析了东洋散纹夜蛾幼虫对隶属于姬蕨属的三个不同物种的适应性。结果说明,东洋散纹夜蛾对姬蕨属蕨类植物的适应性为:姬蕨密毛姬蕨细叶姬蕨。结果说明东洋散纹夜蛾对于姬蕨属不同物种的适应性也存在偏向性,与所测试的另外两物种相比,东洋散纹夜蛾更偏向于利用姬蕨。根据以上结果,进一步建立一个姬蕨与东洋散纹夜蛾互作的研究体系;基于这个体系,我们开展了姬蕨对东洋散纹夜蛾诱导型防御的研究。为探究东洋散纹夜蛾取食是否能诱导姬蕨的诱导型直接防御反应,我们检测了姬蕨受东洋散纹夜蛾取食诱导后对东洋散纹夜蛾生长发育的影响。结果发现东洋散纹夜蛾取食后的姬蕨叶片会抑制东洋散纹夜蛾的体重,影响其生长发育。由此可知,姬蕨对东洋散纹夜蛾产生了诱导型直接防御。通过分析对比姬蕨被东洋散纹夜蛾取食24h前后的挥发物,气相色谱-质谱(GC-MS)分析结果共检测到了32种挥发物,诱导后产生的挥发物包括绿叶挥发物、萜类化合物、苯环类及吲哚类等,其中壬醛在姬蕨挥发物中含量最高。另外姬蕨受虫食后显著含量增加的挥发物——壬醛可以吸引东洋散纹夜蛾的天敌齿缘刺猎蝽,这说明姬蕨对东洋散纹夜蛾也存在诱导型间接防御。为了进一步解析姬蕨对东洋散纹夜蛾诱导型防御的分子机制,本研究通过RNA-Seq和激素检测东洋散纹夜蛾取食后的7个时间点的姬蕨叶片。差异基因表达分析、加权共表达网络分析以及激素含量测定的结果显示,姬蕨叶片中茉莉酸合成和信号转导相关防御基因大量激活,生长素和赤霉素等生长激素合成相关基因受到抑制。因此姬蕨在防御东洋散纹夜蛾的同时其生长受到了抑制,这跟种子植物在进行诱导型防御一样。姬蕨受东洋散纹夜蛾取食后的不同时期有不同的防御反应。姬蕨的诱导型防御反应首先通过PRRs受体感知(苏氨酸/丝氨酸蛋白激酶),然后通过Ca2+信号和茉莉酸异亮氨酸传递信号并激发防御反应,后续主要通过茉莉酸、生长素相关基因来调控植物的防御反应和生长发育,最后通过绿叶挥发物、萜类、苯环类/苯丙环类、类黄酮等次生代谢物对东洋散纹夜蛾达到防御的效果。本研究从东洋散纹夜蛾的野外新分布入手,通过建立人工饲养体系,观察并描述了其形态鉴别及生活史特征,并探讨了其蕨食性的谱系特征和物种偏向性。基于以上研究,我们首次建立了一个可控的蕨类植物与蕨食性昆虫的互作研究体系。利用该研究体系,我们首次明确了姬蕨对东洋散纹夜蛾存在诱导型防御,并初步解析了姬蕨对东洋散纹夜蛾诱导型防御的分子机制。这不仅有利于进一步解析蕨类植物与昆虫互作的内在机制,更为深入理解植物对昆虫防御作用的起源与演化打下了基础。
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