青杨天牛致杨枝虫瘿的分子机理

Insect gall is ubiquitous. However, we know nearly nothing about how it forms. Galls can be seen on crops, weeds, fruit trees and forest trees. It has important significance to study gall forming mechanism from the point of forest/crop protection, biocontrol of weed or utilization of resource insects. In this project, we first propose a hypothesis accounting for gall forming mechanism and then test this hypothesis via experiment. The hypothesis proposed on the latest studies is that the gall elicitors from insects bind to the receptors on the poplar cells, which induces a series of cascade reactions and the stimuli are passed to the gall-forming effector, auxin. The plant tissue begin to undergo hypertrophy and form galls eventually. In the experimental design, two scenarios are prepared to identify the gall elicitors from the insect, Saperda populnea. To determine the origin of high auxin within the gall, the following two experiments will be carried out. We are planing to study the temporal and spatial distribution of auxin biosynthesis enzyme genes to determine whether the gall tissues produce auxin. And we will block the polar auxin transportation to determine whether the auxin from terminal buds is required to form gall. We are going to study the correlation between the temporal and spatial distribution of auxin, auxin receptor gene and polar transportation protein gene and gall-forming to elucidate why the gall is in spindle shape. Finally, based on the determination of the chemical structure of the gall elicitors and the prediction of the structure of those genes which expresses differently after induced by the beetle, we can find some proteins which can be candidate gall elicitor receptors, which paves the way for identifing a real gall elicitor receptor and studying the cascade reactions in the future.

虫瘿是一种常见的自然现象，然而人们对其是如何形成的却几乎是一无所知。虫瘿发生于作物、杂草、果树及林木，无论从森林（作物）保护、杂草生物防治及资源昆虫利用等方面而言，研究虫瘿形成的机制都具有重要经济意义。在本项目，我们先根据已有的背景知识，假设来自昆虫的虫瘿诱导子与杨枝上诱导子受体结合后引起级联反应，将信号传递给产瘿的效应器- - 生长素，在生长素的刺激下形成虫瘿，然后利用天然产物分离技术和现代分子生物技术来验证上述假设。在实验中，拟采用两种方案来分离鉴定虫瘿诱导子。通过研究生长素合成酶基因的时空表达以及极性运输阻断实验来确定虫瘿中高浓度生长素的来源，通过研究虫瘿内部生长素、生长素受体基因和运输蛋白基因的时空分布与虫瘿形成的关系来解释为什么虫瘿是纺缍形的这一问题。结合虫瘿诱导子化学结构分析和天牛诱导后差异表达基因蛋白质结构预测，确定候选的诱导子受体，为下一步鉴定受体和研究级联反应打下基础。

虫瘿是一种常见的自然现象，但其形成机制却不清楚，特别是树木枝干部的虫瘿。青杨天牛虫瘿是杨树上常见的虫瘿之一。此外，白杨透翅蛾等昆虫也形成虫瘿。但青杨天牛是将卵产于皮下，幼虫孵化后在皮下取食。而白杨透翅蛾是将卵产于树皮上，幼虫孵化后蛀入皮下取食。在虫瘿形成过程中，皮下产生的愈伤组织对昆虫来说是致命的。白杨透翅蛾的幼虫可以活动或通过取食愈伤组织来应对，那青杨天牛的卵是如何逃避愈伤组织的挤压呢？此外，杨干象幼虫蛀入树皮后，要在皮下取食一段时间，为什么不形成虫瘿呢？本项目对这些问题进行了研究。. 产卵后，与卵接触部位的树皮变黑（坏死）。而我们在皮下接种鸡蛋壳、塑料及其它昆虫（如分月扇舟蛾）的卵等均未出现这种现象。植物组织（愈伤组织）不识别其它昆虫卵、鸡蛋壳、塑料等异物，会将它们包在里面；但能识别天牛卵，将其推向体外。产卵使产卵部位树皮组织坏死，愈伤组织只得从离虫卵较远部位发生，这样就延迟了将虫卵驱逐出境的时间，使得卵有机会孵化为幼虫。由于幼虫在皮下横向取食，形成层正常分裂的结果就使虫瘿部位形成了纺缍形。因此，虫瘿的形成对植物有利，对天牛不利。进一步的研究表明，使树皮坏死的物质来源于卵表，可能是一些烷类化合物。.对天牛产卵后受损部位不同时间的树皮和受损枝条顶芽的激素含量进行测定，顶芽中生长素基本是升高趋势，而树皮中的生长素基本是先降后升，树皮中各激素含量均高于顶芽中的激素含量，说明天牛产卵后，虫瘿的形成都与生长素相关。. 天牛产卵后，对12个PIN家族基因、8个ABAC家族基因和8个AUX/LAX家族基因的表达进行了研究。荧光定量PCR检测表明虫卵会在24h内使小黑杨树皮生长素相关基因表达量降低，之后会部分逐渐回升，结合原位RT-PCR和形态观察结果，说明部分基因表达量回升与形成新的愈伤组织有关。. 转录组基因差异表达分析表明，产卵引起杨树代谢通路的变化，不同于机械损伤、杨干象及干部真菌病害引起的变化。