板栗抗虫品种受栗瘿蜂侵染的过敏性反应及抗性响应

Abstract：The chestnut gall wasp is one of the main pests of the genus Castanea, and it became the major cause of reduction of chestnut forest productivity in China. Castanea mollissima cultivar ‘Shuhe WYL’, a gall wasp resistant variety bred by our team previously, was observed that its dormant buds may contain eggs or larvae , but there was no gall development after budburst. A hypothesis of the existence of a hypersensitive reaction (HR) in this resistant cultivar was proposed. HR in plants is induced by the production of Reactive Oxygen Species(ROS), and results in the programmed cell death. Staining and electron microscopic cytochemistry technique will be used to detect the presence of ROS in chestnut buds, and cellular localization of defense related enzymes. Futhermore, we plan to use the technology of transcriptome sequencing to study the transcriptome in buds infected by gall wasp. Based on bioinformatics analysis, genetic changes in different stages of buds sprouting at the transcriptional level and ROS metabolism pathway would be detailedly explained. Moreover, this study will provide a new target for managing gall wasp and breeding new resistance genotype in the future.

栗瘿蜂是栗属植物的专性害虫，也是我国板栗栽培区域最重要的虫害之一。本项目组前期筛选的板栗抗虫品种‘沭河无瘿栗’，被观察到其顶芽受栗瘿蜂侵染后可能含有栗瘿蜂虫卵，但随着芽体萌发没有形成虫瘿的现象，因此我们提出板栗抗虫品种在栗瘿蜂胁迫时存在“过敏性反应”以抵御幼虫继续侵袭的假说。过敏性反应是植物受到生物胁迫发生不亲和状态时的局部防卫反应，表现为快速积累活性氧物质，并诱发细胞程序性死亡。本项目拟利用细胞化学技术，系统研究板栗抗虫品种与栗瘿蜂互作时活性氧代谢积累，特异性定位防御相关酶等在细胞表面或细胞中的分布状况；同时利用高通量测序技术，重点探讨抗虫品种受栗瘿蜂胁迫后芽萌发不同阶段的基因表达谱差异，分析受虫害胁迫前后基因转录水平变化及活性氧代谢通路变化，以期在理论上阐明板栗抗虫品种对栗瘿蜂的早期防御应答机制。本项目的完成，对指导栗瘿蜂防控、板栗品种抗性的遗传改良等具有重要的理论意义和实践价值。

栗瘿蜂是栗属植物的专性害虫，也是我国板栗栽培区域最重要的虫害之一。为深入了解板栗抗虫品种‘沭河无瘿栗’受栗瘿蜂侵染后昆虫与寄主的互作关系，本项目首先从栗瘿蜂胁迫下板栗不同抗性品种的抗性适应行为入手，系统观测了板栗受栗瘿蜂胁迫产生虫瘿组织结构及瘿内幼虫发育形态。在此基础上，重点开展了板栗与栗瘿蜂互作时活性氧代谢积累，特异性防御相关酶活性、虫瘿形成不同阶段基因表达谱差异及不同抗性品种的比较转录组学研究。.研究结果表明，遭受虫害胁迫时，板栗不同抗性品种叶片超氧阴离子的释放、H2O2的含量存在先升高后降低的趋势，抗虫品种‘沭河无瘿栗’活性氧物质含量变化显著高于感虫品种‘红栗’，尤以虫瘿生长期阶段最为显著，且均高于无虫瘿样品。在抵御栗瘿蜂侵染形成虫瘿过程中，抗虫品种‘沭河无瘿栗’在虫瘿成长阶段即调动体内酶活性最大化，启动一系列的生理生化响应机制。.通过数字表达谱方法对栗瘿蜂侵染板栗感虫品种‘红栗’形成虫瘿的4个不同阶段的基因表达差异分析，结果显示，虫瘿形成过程中植物-病原体相互作用、活性氧代谢、MAPK信号转导等关键代谢通路，以及编码信号转导、应激反应和转录因子的表达模式发生显著变化，初步阐明了板栗叶片响应栗瘿蜂刺激形成虫瘿过程的分子应答机制。.此外，采用比较转录组方法分别对板栗抗虫品种‘沭河无瘿栗’和感虫品种‘红栗’响应栗瘿蜂胁迫的差异表达基因进行分析，抗虫品种在虫瘿形成过程中对栗瘿蜂刺激的应答反应更敏感、更强烈；在板栗与栗瘿蜂互作中抗虫品种涉及更多的次生代谢通路的富集，表明抗虫品种可能更多地通过次生代谢物质的分泌来抵御栗瘿蜂侵染；同时抗虫品种中存在较多的ERF、WRKY、NAC等与逆境响应相关的转录因子发生差异表达；板栗抗虫品种叶片中多个与抗氧化相关基因表达发生显著变化，以维持体内活性氧的平衡，初步阐明了板栗抗虫品种对栗瘿蜂的早期防御应答机制，并为后续相关抗虫基因的克隆提供参考依据。