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为探究玉米对甜菜夜蛾（Spodoptera exigua）的抗性分子机制，研究人员对受甜菜夜蛾侵害 24h 的抗虫玉米自交系 CML139 进行转录组和代谢组联合分析。结果发现 9845 个差异表达基因和 34 个显著变化的代谢物，该研究为玉米害虫防治提供新策略。
在农业生产的大舞台上，玉米作为全球重要的谷类作物，其产量和品质却常常受到害虫的严重威胁，其中甜菜夜蛾就是一个 “狠角色”。以往针对玉米防御害虫机制的研究，多以对昆虫敏感的 B73 自交系为材料，对于抗虫玉米的防御机制，尤其是抗虫玉米对甜菜夜蛾的反应机制，仍存在许多未知领域。这就好比在黑暗中摸索，农民们渴望找到更有效的方法保护玉米，培育出更抗虫的品种，所以开展相关研究迫在眉睫。
韩山师范学院生命科学与食品工程学院以及青岛农业大学植物健康与医学学院的研究人员，为了揭开抗虫玉米防御甜菜夜蛾的神秘面纱，对受甜菜夜蛾侵害 24 小时的抗虫玉米自交系 CML139 进行了转录组和代谢组联合分析。研究成果发表在《Heliyon》杂志上。
研究人员开展这项研究时，主要运用了转录组测序、代谢物提取与 LC-MS 分析以及转录组和代谢组数据整合分析等技术。首先，种植玉米自交系 CML139，待其长至三叶期后用甜菜夜蛾幼虫进行侵害处理，以未受侵害的植株为对照。接着，提取样本 RNA 进行转录组测序，分析基因表达情况；同时提取叶片代谢物，利用 LC-MS 技术检测代谢物变化。最后，运用软件对转录组和代谢组数据进行整合分析 。
研究结果如下：
- 转录组分析：通过对与昆虫抗性相关基因（几丁质酶基因和 MPI 基因）转录水平的检测，确定在甜菜夜蛾侵害 24 小时时进行转录组和代谢组检测。转录组测序质量评估显示数据质量高，共检测到 21772 个单基因，其中 9845 个为差异表达基因（DEGs），包括 4641 个上调基因和 5204 个下调基因。对 DEGs 进行 GO 分析和 KEGG 通路分析发现，上调基因显著富集在缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解，甘油酯代谢等途径；下调基因显著富集在核糖体、核糖体生物发生等途径。此外，还鉴定出 741 个转录因子（TFs），其中 MYB 和 bZIP 家族成员较多。
- 代谢组分析：从受侵害 24 小时的叶片样本中鉴定出 34 种已知代谢物，其中 27 种含量显著增加，7 种显著减少。这些代谢物主要涉及氨基酸、次生代谢物和有机酸。代谢物富集分析表明，含量增加的代谢物显著富集在氨基酸生物合成和代谢、苯丙氨酸代谢等途径；含量减少的代谢物显著富集在柠檬酸循环、C5 - 支链二羧酸代谢等途径。
- 转录组和代谢组联合分析：通过联合分析发现，上调和下调途径共享丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢以及代谢途径。在苯丙氨酸代谢途径中，7 种代谢物显著诱导，8 种相关基因显著调控。在苯并恶嗪类（Bxs）生物合成方面，Bx3 和 Bx8/9 基因显著诱导，Bx1 基因转录略有增加，而 Bx2、Bx4、Bx5、Bx6 和 Bx7 基因显著下调，且 DIBOA - Glc 含量显著增加。在植物激素方面，SA 相关基因和 JA 相关基因部分呈现差异表达，但 HPLC 检测显示甜菜夜蛾侵害前后 JA 和 SA 含量无显著差异。最后，通过 qRT-PCR 验证了转录组测序数据的可靠性。
研究结论和讨论部分表明，该研究首次联合转录组和代谢组技术分析抗虫玉米对甜菜夜蛾侵害的反应。研究发现抗虫玉米 CML139 与敏感自交系 B73 在基因表达和激素反应上存在差异，暗示不同自交系防御机制不同。此外，研究还发现芳香氨基酸、黄酮类化合物、苯丙氨酸途径以及 Bxs 在玉米防御中发挥重要作用，但不同自交系 Bxs 合成和积累模式存在差异。这一系列研究结果为深入理解玉米与昆虫的相互作用机制提供了新视角，为玉米抗虫品种培育和害虫防治策略开发提供了理论依据和潜在靶点，推动了农业领域抗虫研究的发展，让人们在保护玉米、提高农业产量的道路上迈出了坚实的一步。
