玉米介导的镉胁迫对草地贪夜蛾的生态毒理效应：肠道细胞超微结构、微生物组与转录组的多维解析

针对重金属污染农田"边生产边修复"策略中作物-害虫互作机制不明的问题，华南农业大学团队通过盆栽实验发现，1 mg/kg Cd胁迫下玉米通过协同提升可溶性糖和苯并恶唑嗪类（BXs）含量，诱导草地贪夜蛾（FAW）肠道核膜破裂、微绒毛坍塌，显著降低有益菌Enterococcus丰度并激活免疫通路基因，揭示了低浓度Cd通过植物代谢物-重金属协同作用增强抗虫性的新机制，为污染农田生态调控提供理论依据。

　　

随着全球工业化进程加速，农田重金属污染已成为威胁粮食安全和生态平衡的重大问题。镉（Cd）作为最具毒性的重金属之一，不仅影响作物生长，还能通过食物链传递危害高等生物。玉米因其强大的生物量和籽粒低镉积累特性，成为污染农田"边生产边修复"的理想作物。然而，当玉米吸收土壤中的镉后，会通过两种方式防御植食性昆虫：直接的元素防御（elemental defense）和间接的有机防御（organic defense）。目前关于这两种防御方式如何协同影响害虫肠道微环境及其分子机制的研究仍属空白。

华南农业大学的研究团队在《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》发表的研究，通过系统的多组学分析揭示了这一科学问题。研究人员采用盆栽实验，在0、1和5 mg/kg Cd污染土壤中种植低镉积累玉米品种华玉8号，以重大农业害虫草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda，FAW）为模型，结合透射电镜（TEM）、16S rDNA测序和转录组技术，解析了镉胁迫下玉米-害虫互作的生态毒理机制。

关键技术方法包括：建立0/1/5 mg/kg Cd浓度梯度盆栽体系；测定FAW生长指标和食物利用率；透射电镜观察肠道超微结构；16S rRNA测序分析肠道菌群；RNA-seq转录组测序；靶向代谢组检测玉米叶片Cd、BXs等代谢物含量。

研究结果：
3.1 玉米介导的镉胁迫对FAW生长和食物利用的影响
1 mg/kg Cd处理显著抑制FAW幼虫存活率（降低37%）、延长幼虫期（达25.3天），并导致最低的体重增长（仅0.12 g）。营养指数分析显示该组相对消耗率（RCR）升高但食物转化效率（ECD、ECI）显著下降，表明低镉胁迫造成更严重的生长抑制。

3.2 FAW肠道镉含量及生理变化
尽管5 mg/kg处理玉米叶片Cd含量更高，但两种处理下FAW肠道Cd积累量无显著差异。1 mg/kg组肠道细胞碎片比例增加47%，金属富集颗粒减少62%，同时超氧化物歧化酶（SOD）活性降低至对照组的53%，而谷胱甘肽-S-转移酶（GST）活性提升1.79倍。

3.3 玉米介导的镉胁迫对FAW肠道亚细胞超微结构的影响
TEM显示1 mg/kg组出现典型细胞损伤：核膜断裂、线粒体嵴断裂、微绒毛缩短破碎。5 mg/kg组损伤较轻，仅见线粒体肿胀和少量空泡化，提示低镉胁迫引发更严重的结构破坏。

3.4 玉米介导的镉胁迫对FAW肠道微生物组的影响
16S测序揭示1 mg/kg组肠道菌群β多样性变化最显著，益生菌Enterococcus丰度从91.66%降至51.71%，而重金属耐药菌Pseudomonas和条件致病菌Acinetobacter ursingii分别增加8倍和15倍。相关性分析显示A. ursingii与幼虫增重呈显著负相关（r=-0.82）。

3.5 玉米介导的镉胁迫对FAW肠道转录组的影响
转录组分析发现1 mg/kg组显著下调代谢通路基因（如次级代谢物生物合成），同时上调先天免疫应答基因。差异基因与幼虫存活率、GST活性等关键指标显著相关（p<0.01）。

3.6 Cd胁迫对玉米叶片化合物的影响
代谢组检测发现1 mg/kg组玉米叶片可溶性糖和BXs（如HDMBOA-Glc、M2BOA）含量分别增加1.8倍和2.1倍。随机森林分析表明BXs对幼虫存活率的贡献度达41%，远高于Cd的直接作用（12%）。

讨论与结论：
该研究首次阐明低浓度Cd（1 mg/kg）通过"代谢诱饵"策略增强玉米抗虫性：增加的