乌桕化学防御策略适应性进化的代谢组学研究

Selection on defense strategies (qualitative vs. quantitative defense) may be inconsistent in direction and magnitude between sites because of changes in the herbivores community context (specialist vs. generalist) in which the plant population is embedded. This may be the case for some invasive species, which are often introduced without coevolved specialists, but suffer generalist damage comparable to their native ranges. Here, we will examine adaptive evolution of chemical defense strategies using invasive plant species Chinese tallow (Triadica sebifera). In this study, we will compare invasive population (Georgia and Texas, US) and its source population (Guangdong and Jiangsu, China) based on microsatellite markers. We will conduct nuclear magnetic resonance (NMR) and liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) to investigate the secondary chemicals, on which principal component analysis (PCA) and partial least squares discriminant analysis (PLS-DA) will be applied to explore chemical differentiation between plant populations. Then, we will use bioassay with both specialist and generalist to identify the qualitative and quantitative defense. The results will elucidate the evolutionary direction and magnitude of chemical defensive strategies under different herbivore selection. Moreover, this study will provide new and broader insights into understanding invasive plant defense mechanisms and have important implications for biological control.

生长于不同食性昆虫胁迫下的植物地理种群可能进化出不同的化学防御策略(质量防御和数量防御)。入侵植物在原产地同时受到专食性和广食性昆虫的胁迫，而在入侵地则往往"逃逸"了专食性昆虫，仅受广食性昆虫的取食，这为研究植物化学防御策略的适应性进化提供了绝佳的实验材料。本项目以原产于中国，现在北美成功入侵的大戟科植物乌桕为研究对象，选用遗传背景明确的入侵地乔治亚、德克萨斯种群和原产地广东、江苏种群，采用以核磁共振和液相色谱-质谱为分析手段的代谢组学方法全面分析乌桕的次生代谢产物，通过生物信息学分析不同种群次生代谢产物的差异，同时结合生物测定检测次生代谢产物对专食性昆虫和广食性昆虫生长和繁殖的影响，最终明确主要抗性物质及其质量防御和数量防御作用。研究结果有助于揭示生长于不同昆虫胁迫下的植物地理种群化学防御策略适应性进化的方向和趋势，并对阐明入侵植物的入侵机制以及开展合理有效的生物防治措施均有重要意义。

生长于不同昆虫群落胁迫下的植物地理种群可能进化出不同的防御策略。入侵植物在原产地同时受到专食性昆虫和广食性昆虫的取食危害，而在入侵地“逃逸”了专食性昆虫的取食危害。然而，以往研究主要关注入侵植物单一防御物质的变化，并且忽略了地下昆虫群落对入侵植物防御策略的影响，导致人们对天敌昆虫如何影响入侵植物防御策略的演化以及如何促进外来植物的成功入侵缺乏全面的认识。本项目以入侵植物乌桕为研究对象，采用代谢组学方法全面分析乌桕次生代谢产物，同时结合生物测定、同治园实验和大田实验检测次生代谢产物对地上、地下以及地上地下昆虫互作的影响，最终明确入侵植物防御策略演化以及次生代谢产物在抵御昆虫过程中的重要性。研究发现：（1）11种次生代谢产物在乌桕原产地种群和入侵地种群间存在显著差异。（2）红胸律点跳甲地上成虫取食显著促进地下幼虫的生长发育，而地下幼虫取食导致地上成虫生长受到抑制。化学分析表明植物单宁和氮在叶片和根部的重新分配导致地上和地下昆虫不对称的互作关系。（3）跳甲地上成虫取食显著增加叶片间接防御蜜露含量，但是当地下幼虫出现时，蜜露含量显著降低。（4）通过大田实验发现多种类型地上地下昆虫的互作关系主要取决于种内种间关系。化学分析进一步表明植物地上和地下组织中的单宁含量与昆虫发育存在显著的负相关，可能参与调节了不同类型地上地下昆虫的互作关系。研究结果有助于揭示植物防御演化对地上地下昆虫互作关系的影响，阐明地上地下昆虫互作关系的多样性和复杂性，明确植物地上部和地下部防御演化的方向和趋势，同时对阐明农业地下有害昆虫的治理以及入侵植物的生物防治也具有重要的指导意义。相关研究成果已分别发表在Annals of Botany、Nature Communications、Proceedings of the Royal Society of London Series B-biological Sciences、植物生态学报。项目主持人为所有文章的第一作者。同时，项目主持人入选武汉植物园卓越青年人才计划和中国科学院青年创新促进会。