茉莉酸甲酯诱导 Engelmann 云杉单萜组成改变与树脂道形成的防御调控机制研究

《Journal of Chemical Ecology》：External Application of Methyl Jasmonate Alters Monoterpene Composition and Induces Resin Duct Production in Engelmann Spruce (Picea engelmannii)

本研究针对 Engelmann 云杉（Picea engelmannii）在北美云杉甲虫（Dendroctonus rufipennis）危害下防御机制调控不足的问题，通过外源施用茉莉酸甲酯（MeJa）开展植物防御诱导研究。结果表明，100-mM MeJa 可快速提升 γ-萜品烯、萜品油烯和芳樟醇含量，并诱导次年树脂道形成，其中 Class II 树脂道树木单萜总浓度提升约 39%。该研究为针叶树激素调控防御及害虫防治提供了重要理论依据。

　　

在北美广阔的森林中，Engelmann 云杉（Picea engelmannii）是一种重要的针叶树种，然而近几十年来，特别是在南落基山脉地区，北美云杉甲虫（Dendroctonus rufipennis）的大规模爆发导致了该树种的大量死亡。云杉甲虫的幼虫以树木的韧皮部为主要食物来源，而树木自身的化学防御能力，特别是基于萜类化合物（terpenoids）的组成型和诱导型防御，是决定其能否抵抗甲虫侵袭和共生真菌定殖的关键因素。尽管已知茉莉酸（jasmonic acid）及其生物活性衍生物茉莉酸甲酯（methyl jasmonate, MeJa）是许多植物（包括针叶树）中信号传导诱导防御的关键植物激素（phytohormones），但在 Engelmann 云杉中，MeJa 是否以及如何调控其萜类防御体系，此前尚不明确。理解这种激素调控机制，不仅对揭示植物-昆虫相互作用的进化基础具有重要生态学意义，也为林业害虫管理提供了潜在的新策略，例如通过诱导植物防御表型来减少对环境有害的杀虫剂使用。

为了探究茉莉酸甲酯对 Engelmann 云杉防御反应的调控作用，研究人员在科罗拉多州 Willow Creek Pass 的 Arapaho-Roosevelt 国家森林中，选择了40棵健康成熟的 Engelmann 云杉作为研究对象。这些树木被随机分为四组，分别接受三种不同浓度（1-mM、10-mM、100-mM）的茉莉酸甲酯溶液或去离子水（对照组）的单次外源施用。处理溶液均含有0.1%（v/v）的 Tween 20 作为表面活性剂。处理于2020年7月7日进行，施用方式是将溶液喷洒在树干基部1.3米高处预先划定的30平方厘米区域内，直至树皮饱和。在处理当天（第0天）以及处理后第10、19、26、33天（即7月17日、7月26日、8月2日、8月9日），研究人员使用直径为1.5厘米的树皮打孔器采集韧皮部样品，以监测单萜（monoterpenes）浓度的动态变化。采集的样品立即置于干冰上保存，并运回实验室在-20°C下冷冻直至分析。

单萜化合物的分析主要采用气相色谱-质谱联用（Gas Chromatography-Mass Spectrometry, GC-MS）技术。研究人员重点检测了七种化合物，包括六种单萜（(+)-α-蒎烯、(-)-β-蒎烯、β-水芹烯、(+)-△-3-蒈烯、γ-萜品烯、萜品油烯）和一种单萜醇（(+)-芳樟醇）。分析过程包括将冷冻的韧皮部样品在液氮下研磨成粉末，然后用正己烷进行萃取，最后通过GC-MS进行定性和定量分析。单萜的浓度通过将样品峰面积与已知浓度的标准品峰面积进行比较来计算，单位为微克每克韧皮部鲜重（μg/g）。

在处理的次年（2021年6月），研究人员再次访问样树，使用直径4.3毫米的生长锥采集木质部芯样，以评估2020年生长轮中创伤树脂道（traumatic resin ducts）的形成情况。芯样经过干燥、固定和打磨后，根据切向排列的树脂道对生长轮的切割比例，将树脂道形成分为四个等级：Class 0（无树脂道）、Class I（树脂道切割≤20%生长轮）、Class II（树脂道切割21-90%生长轮）和Class III（树脂道切割>90%生长轮）。同时，从生长芯样近端获取韧皮部样品，用于分析2021年的单萜浓度，以探究前一年树脂道形成与次年单萜浓度之间的关系。

统计分析使用JMP Pro V18软件进行，显著性水平设定为α < 0.10。主要采用嵌套双因素方差分析（nested two-factor ANOVA）检验处理和时间对当年单萜浓度的影响，卡方检验（chi-square test）分析处理对树脂道形成频率的影响，以及单因素方差分析（one-way ANOVA）检验树脂道等级与次年单萜浓度的关系。

单萜浓度在施用当年的变化

研究结果显示，在茉莉酸甲酯处理的当年，Engelmann 云杉韧皮部的单萜总浓度并未因处理或采样时间而发生显著变化（P=0.692）。然而，几种特定单萜化合物的浓度表现出时间和剂量依赖性的变化。β-水芹烯的浓度仅随时间变化，从7月初到7月下旬升高，并在生长季剩余时间内保持较高水平（P=0.001）。相比之下，γ-萜品烯（P=0.008）和萜品油烯（P=0.019）在施用100-mM MeJa后约一周内浓度显著上升（分别平均提高约43%和66%），但随后下降至对照组水平。芳樟醇则在100-mM处理组中于施用后约两周开始升高（平均提高约69%），并在整个采样期间持续高于对照组（P<0.001）。10-mM处理组在施用约40天后也检测到芳樟醇浓度升高。这些结果表明，MeJa处理并未改变单萜总浓度，但显著改变了特定单萜组分的相对组成。

创伤树脂道在次年的形成

对处理后次年形成的生长轮进行分析发现，茉莉酸甲酯处理显著影响了创伤树脂道的形成频率（P=0.022）。对照组树木大多未形成树脂道，而100-mM处理组的大部分树木形成了完全或近乎完全切割生长轮的Class III树脂道。1-mM和10-mM处理组的树木也大多形成了创伤树脂道，但Class III树脂道的频率较低。这表明MeJa诱导树脂道形成具有剂量依赖性。

90%的生长轮（完全或近乎完全闭塞）'>

树脂道形成与次年单萜浓度的关系

创伤树脂道的形成对处理后次年的单萜总浓度有一定的预测作用（P=0.069）。形成Class II树脂道（切割20-90%生长轮）的树木，其平均单萜总浓度比未形成树脂道或形成Class I、Class III树脂道的树木高出约39%。然而，树脂道形成与任何单一单萜浓度的变化无显著相关性。

本研究结果表明，外源施用茉莉酸甲酯能诱导 Engelmann 云杉产生剂量依赖性的防御反应。在施用当年，高浓度（100-mM）MeJa 迅速改变了韧皮部单萜组成，提升了γ-萜品烯、萜品油烯和芳樟醇等对云杉甲虫具有毒性的化合物的比例，尽管单萜总浓度未变。这种单萜谱的转变可能增强树木对害虫的抵抗力。更为重要的是，MeJa 处理诱导了次年的创伤树脂道形成，且形成程度与处理浓度正相关。特别值得注意的是，形成适度树脂道系统（Class II）的树木在次年表现出更高的单萜总浓度，暗示了树脂道介导的防御 priming 效应。然而，形成过度树脂道系统（Class III）的树木单萜上调能力反而减弱，这可能与树脂道构建的巨大代谢消耗有关，提示过度的诱导反应可能不利于树木的长期防御能力。

与生长季节较长、气候较温和的欧洲云杉（Picea abies）等物种相比，Engelmann 云杉的树脂道形成延迟至次年，且单萜总浓度上调幅度较小，这可能反映了其对较短生长季和严酷气候的适应策略。该研究揭示了植物激素茉莉酸甲酯在调控针叶树化学与解剖防御中的关键作用，强调了物种和气候特异性在理解诱导防御机制中的重要性。研究结果为利用激素 elicitors 进行森林保护，特别是针对云杉甲虫的生态管理策略，提供了有价值的实验依据和理论框架。未来的研究需要直接将MeJa诱导的化学和解剖特征与树木对云杉甲虫的实际抗性联系起来，以验证其应用潜力。