GOX抑制家蚕取食诱导的桑叶JA信号防御

论文摘要

对于昆虫和病原菌的危害,植物在进化过程中形成了两种防御机制,一种是原本就存在的组成型防御机制（Constitutive defences）;另一种是由昆虫和病原菌诱导产生的诱导型防御机制（Induced defences）,其在植物自我保护中发挥着更重要的作用。面对植食性昆虫的取食,植物并不是完全被动地接受,它们会采取直接或间接的的防御反应,以减少或抑制昆虫对自身乃至群体的伤害。诱导防御机制,也随植食性昆虫而选择进化,会针对不同的实际对象而选择最佳的防御机制。在诱导植物产生诱导性抗性过程中,植物激素水杨酸（salicylic acid, SA）和茉莉酸（jasmonic acid, JA）起到重要作用,它们介导植物防御两大信号途径。SA信号途径主要在植物对病原菌的过敏反应和系统获得抗性中起作用,还可能参与了刺吸式昆虫取食诱导的植物间接防御反应；JA信号途径主要在机械损伤、真菌性病原菌和虫害诱导的直接和间接防御反应中起作用。两个信号途径关系复杂,并且与其他防御途径交错在一起,给植物对病虫害产生多种防御机制提供了可能,在植物对昆虫进行防御的同时,昆虫也会对植物的防御进行抑制或加以利用,比如一些昆虫能够截获JA或SA信号,提前增加体内解毒酶活性,以此来削弱或抵消植物产生的次生物质的防御,两个防御信号途径以及它们的相互作用调节着昆虫与植物之间的互作。昆虫幼虫的口腔分泌物或者反吐液包含的一些化学成分,可能会被植物识别并引发对草食性昆虫防御反应,但这些成分同时也可以被昆虫利用来抑制寄主植物的防御。葡萄糖氧化酶（glucose oxidase,GOX）是经过鉴定的幼虫唾液中抑制植物防卫反应的一种成分,近些年研究表明它可以抑制植物的直接防御和间接防御,比如它可以抑制植物表面的昆虫病原体和植物体内胰蛋白酶抑制素水平,可以抑制植物体内与间接防御相关基因的表达及氧化酶活性,还可以抑制植物被昆虫取食所诱导的烟碱的增加。近年来也有报道指出昆虫会利用植物防御两个信号途径间的关系来抑制植物的防御,比如甜菜粘虫（Spodoptera exigua）、斜纹夜蛾（Spodoptera litura）和银叶粉虱（Bemisiaar gentifolii）都可以通过GOX激活SA信号途径,从而干扰植物JA介导的防御反应。共同点是,所报道的这些昆虫都是广食性昆虫。据目前的研究,还没有发现专食性昆虫或寡食性昆虫可以利用GOX诱导植物SA物质来抑制植物的防御,关于家蚕,这方面的研究还是空白。本研究利用家蚕的活体取食及模拟取食实验、酶联免疫和高效液相色谱、实时荧光定量RT-PCR、激素的添食、丝腺组织体外培养等实验,研究了家蚕取食和丝腺提取液、反吐液对桑叶SA、JA含量的影响,家蚕BmGOX基因的时期和组织表达情况以及植物激素SA、JA对其表达的影响。主要研究结果如下：（1）家蚕取食桑叶后可以快速地诱导桑叶中JA介导的信号防御,同时引起桑叶内SA含量下降。而家蚕通过分泌的GOX诱导桑叶内SA含量的增加而显著抑制桑叶对家蚕的JA信号防御,家蚕和桑树的互作启动了SA和JA两大防御途径,并且GOX也发挥了作用。另外,受损叶片的防御反应通过信号物质传递给未受伤植株,从而诱导了系统性的群体防御反应,并且群体防御的强度大于受损伤的叶片。（2）桑叶中被诱导产生的二次防御强度的大小可能与GOX活性大小有关。被取食1天之后桑叶会发起二次防御,其强度极显著强于第一次,处理液的GOX活性越大,桑叶在受损1天之内受到的抑制就越强,其在3天时发生的二次防御也越强烈。这些结果暗示桑树可以根据受到抑制作用的大小,调整自己的防御。（3）家蚕BmGOX基因在五龄幼虫期高量表达,并且在丝腺组织中高量表达,很可能在取食或反吐的时候可以通过吐丝器排出体外。（4）本研究中寡食性昆虫家蚕取食桑叶,通过GOX引发桑叶中SA信号物质的大量增加来抑制JA信号途径的防御,不同于先前报道中所指出的“广食性昆虫激活SA信号途径来干扰植物JA介导的防御,而专食性昆虫诱导JA物质以削弱植物防御”的理论。因此昆虫是否由GOX引发植物SA的增加从而抑制植物的JA信号防御不是取决于昆虫的食性,可能关键在于分泌的GOX活性的高低。本研究同时双向地研究桑叶对家蚕的防御和家蚕对桑叶防御的抑制,较客观地展现了桑叶和家蚕间的互作过程。研究发现寡食性昆虫家蚕取食桑叶诱导其JA信号防御,不同于以往人们发现的广食性昆虫如此,而专食性昆虫以FAC诱导JA增加来抑制植物防御的结果。另外,我们研究发现,桑叶利用茉莉酸类物质发起对家蚕的二次防御,并且这个二次防御的强度可能与GOX活性大小有关,但具体关系和规律还有待研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 文献综述
• 1.1 昆虫诱导的植物防御反应
• 1.2 植物防御两大信号物质
• 1.2.1 JA的生物合成及茉莉酸类物质（JAs）的生理功能
• 1.2.2 JAs与植物虫害、病害防御
• 1.2.3 水杨酸类物质（SAs）的生物合成和生理功能
• 1.2.4 SAs与植物病害、虫害防御
• 1.3 SA与JA两大信号途径的关系
• 1.4 昆虫对植物防御的抑制
• 1.5 葡萄糖氧化酶及其在昆虫-植物互作中的作用
• 第2章 引言
• 2.1 背景和意义
• 2.2 技术路线
• 2.3 研究内容
• 第3章 家蚕对桑叶的活体取食及模拟取食实验
• 3.1 家蚕对桑叶的取食及反吐液、丝腺提取液处理的模拟
• 3.1.1 方法
• 3.1.2 溶剂的配制
• 3.2 桑叶中MeJA含量的变化
• 3.2.1 方法
• 3.2.2 结果
• 3.3 桑叶中SA含量的变化
• 3.3.1 方法
• 3.3.2 结果
• 3.4 酶活测定
• 3.4.1 方法
• 3.4.2 结果
• 3.5 GOX抑制桑叶防御作用的确定
• 3.5.1 方法
• 3.5.2 结果
• 3.6 讨论
• 第4章 家蚕BmGOX的时期、组织表达以及激素SA、JA对其表达的影响
• 4.1 家蚕BmGOX的时期、组织表达谱分析
• 4.1.1 方法
• 4.1.2 结果
• 4.2 SA、JA的添食实验
• 4.2.1 方法
• 4.2.2 结果
• 4.3丝腺组织体外培养实验
• 4.3.1 方法
• 4.3.2 结果
• 4.4 讨论
• 第5章 总结
• 参考文献
• 附录
• 在校期间发表文章
• 参与研究课题及成果
• 致谢