挥发物吲哚引发茶树抗虫防御警备的分子机理及其生态学效应研究

Herbivore-induced plant volatiles (HIPVs) can prime plants for faster and stronger induction of defenses and resistance against subsequent herbivore attack. Aromatic indole has been identified as a key component of HIPVs that trigger the anti-herbivore priming. So far, the studies of indole-induced priming are limited to the Poaceae. Whether indole can prime the anti-herbivore defenses in woody plants is not elucidated. Our preliminary experiments have shown that indole can prime the herbivore resistance of tea plants. However, the molecular mechanisms and ecological consequences of this indole-induced priming are still unknown. To answer these two questions, we will use the volatile indole, tea plants and their major pests Ectropis obliqua as a model system. We will firstly determine the influences of indole-induced priming on the defense-related signaling pathways, signaling molecules and chemical compounds to explore the key components involved in the priming process in tea plants, and then investigate the dynamics of the invertebrate community in the tea field. Our project will not only push forward the fundamental studies of the molecular mechanisms of volatile-mediated priming in woody plants, but also provide an important approach of integrated tea pest management in the field.

虫害诱导的植物挥发物能够引发植物的抗虫防御警备，从而使植物对后续虫害产生更快更强的防御反应，显著提高对植食性昆虫的抗性。芳香族化合物吲哚是引发植物抗虫防御警备的关键挥发物之一。然而，目前吲哚的相关研究还仅停留在禾本科植物上，其能否引发木本植物的防御警备仍不知晓。申请人项目前期研究结果表明，吲哚可以引发茶树的抗虫防御警备，但其分子机理及在田间的生态学效应并不清楚。申请人将以吲哚、茶树、茶树害虫茶尺蠖为模型，系统分析吲哚预暴露对茶树体内防御相关的信号通路、信号分子和防御化合物等的影响，剖析参与防御警备的关键因子，调查吲哚暴露后茶园中节肢动物群落的动态，从而解析吲哚引发茶树抗虫防御警备的分子机理、明确其造成的田间生态学效应及农业生产中的应用潜力。本项目的顺利实施不仅会在理论上推进木本植物抗虫防御警备机制的基础研究，也会在实践上为寻辟茶树害虫的无公害治理技术、绿色植物源抗虫剂的开发提供依据和指导。

当遭受植食性昆虫为害时，植物会诱导释放大量挥发性物质。这些挥发物能够引发植物的防御警备作用，提高植物抗性。申请人前期实验表明芳香族化合物吲哚是引发茶树抗虫防御警备的关键挥发物，但具体作用的分子机制和生态学效应不清。本项目系统研究了吲哚对茶树早期防御信号通路、信号分子、代谢物以及茶树抗虫性的影响，并对吲哚介导的防御警备作用在田间的生态学效应进行评价。取得的主要研究结果如下：. （1）茶树受茶尺蠖幼虫为害后吲哚的释放量达每小时450ng左右。利用生理浓度吲哚暴露茶苗后，与对照相比，茶尺蠖取食叶面积显著降低，取食量大幅减少。吲哚处理激活了茶树早期信号通路如钙离子、MPK、茉莉酸通路，诱导植物激素茉莉酸、茉莉酸异亮氨酸等水平以及抗虫相关的次生代谢物积累。利用抑制剂实验结合生物学测定和代谢物分析，进一步证实了钙离子和茉莉酸通路是吲哚引发茶树抗虫防御警备所必需的关键分子元件。. （2）克隆并鉴定了一个吲哚响应相关的转录因子基因CsWRKY17，并利用生物信息学分析了该基因的结构、理化特征及进化关系。亚细胞定位试验证实CsWRKY17定位在细胞核中发挥功能。此外，CsWRKY17具有明显的组织表达特异性，并可被机械损伤、茶尺蠖取食或模拟取食、茉莉酸（JA）等外用激素处理诱导表达。研究结果为深入解析WRKY转录因子在茶树虫害相关信号通路中的作用打下基础，同时为茶树抗虫基因挖掘和抗虫品种选育提供了理论依据和参考。. （3）田间试验表明，吲哚处理降低了茶园中茶小绿叶蝉、黑刺粉虱、白粉虱等害虫的种群数量，提高了蜘蛛、寄生蜂等害虫天敌的数量，初步阐明吲哚引发的抗虫防御警备作用在田间的实际效用。. 综上，本项目揭示了吲哚引发茶树抗虫防御警备的分子机理，明确吲哚通过钙离子和茉莉酸途径诱导茶树抗虫性。本研究进一步拓展了虫害诱导的挥发物在木本植物中发挥防御警备作用的基础理论，同时为将来利用挥发物实现茶园有害生物的绿色防控奠定基础。