茶尺蠖为害诱导茶树细胞壁防御应答的机制研究

The plant cell wall is known to be the first defense barrier against herbivores and plays an important role in plant resistance, so as an important target to design broad-spectrum resistance. Detailed mechanism about plant cell wall-associated defense responses to herbivores is scarce. Here, we aim to investigate the cell wall-associated defense in tea plant against an important tea pest, Ectropis obliqua (EO). Based on our accumulated results, to identify the key factors involving in cell wall-associated response to EO, the transcriptional level of cell wall-associated defense genes and compounds content in tea leaves infestation by the EO at different time points will be investigated. To explore the role of phytohormones in regulating cell wall-associated defense, the levels of above key factors in the tea leaves treated by phytohormones, such as JA, SA, BR and GA will be measured. This study will enrich the understanding of cell wall-associated defense against herbivores in plant. Moreover, it will provide new insights into improvement of herbivore-resistant tea variety.

植物细胞壁是植食性昆虫入侵的第一道防线，在抗虫反应中具有重要作用，也是设计植物广谱抗性的重要靶点，但细胞壁抗虫分子机理研究报道较少。本项目将以茶树和茶树重要害虫茶尺蠖为研究对象，以前期研究结果为基础，通过研究茶尺蠖诱导前后茶树细胞壁防御应答相关基因转录、成分含量的变化，明确茶尺蠖为害激活哪些细胞壁相关重要基因和化合物；通过研究防御信号分子对细胞壁关键因子的影响，探索茶尺蠖为害是通过何种信号途径调控这些关键因子发挥抗虫功能；从而解析茶尺蠖为害诱导茶树细胞壁防御应答机制。研究的实施不仅在理论上加深植物细胞壁抗虫功能机理的认识，而且在实践上指导茶树种质资源改良和抗性品种培育。

本研究以茶尺蠖取食诱导的茶树细胞壁防御为研究内容，利用透射电镜、分析化学、代谢组、转录组和分子生物学以及昆虫学等研究技术比较茶尺蠖取食为害前后茶树叶片细胞壁结构成分、代谢物含量、基因表达和蛋白酶活性的差异变化，结合比较JA处理茶树后上述各方面的变化，揭示茶尺蠖取食诱导茶树细胞壁防御反应及分子机理。本研究首先鉴定了茶尺蠖取食为害前后茶树叶片细胞壁结构和成分发生显著变化。茶尺蠖取食叶片细胞壁致密性、厚度增强，细胞壁两大类物质成分酚类和多糖含量增加。然后对虫害的茶树细胞壁广靶代谢组分析鉴定了酚类和氮氧杂环类代谢物显著积累。转录和代谢表明虫害全面激活了酚类和氮氧杂环类代谢途径基因转录和细胞内游离态酚类和氮氧杂环类代谢物含量，采用转录-代谢WGCNA分析技术鉴定了调控虫害诱导细胞壁酚代谢途径关键因子DHS、、ERF和MYB。基于茶树基因组和分子生物学技术，鉴定了虫害诱导的参与催化细胞内游离态酚类在细胞壁积累的关键漆酶和过氧化物酶基因。其次明确了茶尺蠖为害显著增加了茶树细胞壁纤维多糖含量和酯化程度。JA处理增加了茶树细胞壁酚类代谢物途径同时也激活了酚类合成代谢途径基因，同时增强了虫害诱导的漆酶转录和酶活，初步明确JA正调控了茶树细胞壁防御应答。茶尺蠖取食诱导了茶树细胞壁防御应答，虫害取食诱导了酚类和氮氧杂化类代谢物在细胞壁显著积累。通过转录-代谢共表达分析鉴定了调控虫害诱导细胞壁酚积累的关键因子。明确了虫害对细胞壁多糖成分和结构的影响以及JA信号途径对细胞壁防御的调控作用。本研究揭示了茶尺蠖取食诱导茶树细胞壁防御反应及分子机理，为发展植物抗虫性机理做出新探索，并为未来应用植物诱导抗性于生产提供理论支持。茶树-茶尺蠖作为林木和咀嚼式口器害虫的代表，将为其他林木的咀嚼式或刺吸式口器害虫的综合防治提供参考。