昆虫病原线虫诱导玉米根部代谢重分配但不影响两种根食性害虫的生长发育

本研究通过转录组学、代谢组学和昆虫实验相结合，首次系统揭示了昆虫病原线虫(EPNs)对玉米根系的代谢调控机制。研究发现EPNs可触发玉米根部动态代谢重编程，包括糖代谢、氨基酸代谢和苯并恶唑嗪类(BXs)化合物的变化，但未增强对根食性害虫Diabrotica virgifera和D. balteata的抗性，为理解地下生物互作提供了新视角。

　　

昆虫病原线虫诱导玉米根部代谢重分配

1 引言

昆虫病原线虫(EPNs)是农业重要的生物防治因子，但其对植物代谢和抗虫性的直接影响尚不明确。本研究首次采用多组学方法系统解析了玉米根系对EPNs的响应机制。玉米作为全球重要经济作物，常受根食性害虫如西方玉米根虫(WCR, Diabrotica virgifera virgifera)危害，每年造成超20亿美元损失。EPNs特别是Heterorhabditis bacteriophora对WCR有较高感染率，但其与玉米的互作机制亟待阐明。

2 材料与方法

采用玉米B73品种，在温室条件下培养三叶期幼苗。实验组接种2000条H. bacteriophora感染期幼虫(IJs)，分别在6、24、72h采集根系进行转录组和代谢组分析。代谢组涵盖极性(糖类、氨基酸)和非极性(苯并恶唑嗪类)代谢物。后续用WCR和条带黄瓜甲虫(BCB, Diabrotica balteata)幼虫进行6天取食实验评估抗虫性。

3 结果

3.1 EPNs促使根系转录组向能量保存转变

EPNs触发动态的时序性代谢重编程：

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  6h：下调糖磷酸转运体和糖酵解相关基因(gcn5相关N-乙酰转移酶)

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  24h：抑制糖原合成激酶3表达，提示淀粉合成减少

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  72h：显著影响3977个基因，其中2098个为EPN特有。下调核糖体RNA加工、蛋白质输出等生长相关通路，上调肌球蛋白和囊泡运输基因

3.2 代谢组变化特征

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  糖代谢：72h时葡萄糖浓度显著升高

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  氨基酸：谷氨酸(Glu)和天冬氨酸(Asp)在72h显著降低

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  次生代谢：苯并恶唑嗪类(BXs)中HMBOA和HMBOA-Glc在6-24h升高，72h恢复基线

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  脂质代谢：α-亚麻酸代谢和角质/木栓质合成通路有增强趋势

3.3 对根食性害虫的影响

EPN预处理未显著影响：

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  WCR和BCB幼虫的体重增长(相对增重WCR p=0.45, BCB p=0.32)

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  幼虫存活率(WCR 87.5% vs 对照81.3%; BCB 86.7% vs 80%)

  尽管WCR取食诱导BXs积累，但EPN预处理未产生协同抗虫效应

4 讨论

EPNs诱导的代谢重编程可能具有多重生态意义：

1. 1.

   防御准备：通过BXs和糖代谢变化应对潜在虫害，但浓度未达毒性阈值

2. 2.

   根际调控：糖和氨基酸变化可能影响EPNs行为，但需验证

3. 3.

   广谱防御：对植物寄生线虫(PPNs)的交叉保护作用值得探究

研究局限性包括田间验证缺失和响应幅度较小(差异基因表达量多<100 reads)。未来应关注：

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  EPN特异性分子模式(如ascaroside#18)的识别

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  根系分泌物对EPN行为的调控

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  田间条件下EPN-植物-微生物互作网络

该研究为开发基于EPN的可持续农业策略提供了理论基础，特别是通过代谢工程增强作物抗逆性的新思路。