《Plant Stress》：Transcriptomic and Metabolomic Insights into the Mechanisms of Pest Resistance in Cowpea (
Vigna unguiculata L.)
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本研究针对美洲斑潜蝇(Liriomyza trifolii)严重危害豇豆生产并引发农药残留、害虫抗性及再猖獗的"3R"问题，通过整合转录组学和代谢组学技术，系统揭示了抗性品种"五月黑豆"(R1)和"LD03"(R2)的不同防御策略。研究发现R1通过快速激活JA信号通路促进苯丙烷/类黄酮生物合成实现化学防御，R2则通过MAPK级联介导的细胞壁强化和生物碱合成实现结构防御。研究鉴定出CHS、F3H、VuLTR1/2等关键调控基因，为豇豆抗虫育种提供了重要靶标和理论依据。
在全球气候变化和农业可持续发展的双重挑战下，豇豆(Vigna unguiculata L.)作为半干旱地区重要的蛋白质来源，其生产却长期遭受美洲斑潜蝇(Liriomyza trifolii)的严重威胁。这种起源于美洲的多食性害虫自20世纪70年代以来已扩散至70多个国家，其幼虫在叶片内部钻蛀形成蛇形潜道，破坏光合作用，导致植株萎蔫、落叶甚至死亡，通常造成30%-40%的产量损失，严重时可导致绝收。当前主要依赖化学防治的方法已引发严重的"3R"问题——农药残留、害虫抗性和害虫再猖獗，而抗性品种的缺乏更是雪上加霜。面对这一产业难题，解析豇豆的抗虫机制、挖掘关键抗性基因成为当务之急。
在这项发表于《Plant Stress》的研究中，研究人员通过整合转录组学和代谢组学技术，系统揭示了豇豆对美洲斑潜蝇的抗性机制。研究发现两种抗性品种"五月黑豆"(R1)和"LD03"(R2)采用了截然不同的防御策略：R1通过快速激活茉莉酸(JA)信号通路，协调苯丙烷和类黄酮生物合成途径，实现化学防御；而R2则依赖MAPK信号级联介导的结构强化，通过生物碱合成和细胞壁加厚构建物理屏障。这些发现为豇豆抗虫育种提供了新的理论依据和分子靶标。
研究团队采用了多项关键技术方法：通过对107份豇豆种质进行田间抗性评价筛选出极端抗/感材料；利用Illumina HiSeq平台进行转录组测序，结合LC-MS/MS进行非靶向代谢组学分析；通过qRT-PCR验证关键基因表达；运用KEGG富集分析和基因-代谢物关联网络解析防御通路。所有实验均设置三个生物学重复，确保结果的可靠性。
3.1. 表型变异与抗性评价
通过对107份豇豆种质的12个农艺性状评估，发现叶面积与潜叶蝇为害密度呈极显著正相关(r=0.30, P<0.01)，而叶片形态、叶绿素含量、氮含量和首荚节位与为害密度呈负相关。抗性种质"五月黑豆"(R1)和"LD03"(R2)的为害密度最低(约0.10 mines/cm2)，而感病品种"富德宝"(S2)和"花干好介"(S1)的为害密度最高(约0.38 mines/cm2)。
3.2. 转录组差异响应
抗性材料表现出协调的时间动态响应模式，R1在48小时出现4699个差异表达基因(DEGs)，R2出现7981个DEGs，且均在早期(48小时)达到峰值后下降，表明存在快速、协调的早期免疫响应。而感病材料则呈现延迟或不一致的防御响应，S2在48小时仅有2939个DEGs，但在72小时显著增加。
3.3. 功能注释与通路分析
基因本体(GO)和KEGG富集分析揭示了基因型特异的防御机制。R1早期优先激活JA信号转导和苯丙烷生物合成途径，后期强化类黄酮和植保素合成；R2则富集MAPK信号通路、ABC转运蛋白和细胞壁修饰途径，后期增强水杨酸(SA)信号和氧化应激响应。
3.4. 代谢组学分析
代谢组分析显示，R1优先积累苯丙烷类和类黄酮(如槲皮素苷类)用于物理屏障强化，R2则特异性富集生物碱和有机氮化合物用于直接毒杀。两种抗性材料均下调脂类和碳水化合物，体现了防御与生长间的资源权衡。
3.5. 多组学关联分析
整合分析揭示了R1中从激素信号转导到次生代谢物合成的协调防御级联。早期(48小时)JA/SA信号通路激活触发类黄酮生物合成基因上调，后期(72小时)伴随槲皮素苷类等防御代谢物的大量积累，形成完整的信号-代谢防御轴。
3.6. 时序表达验证
qRT-PCR验证了八个关键防御基因的时序表达模式，发现VuLTR1和VuLTR2等基因在R1中早期快速诱导，在R2中延迟激活，印证了两种不同的防御策略。
研究结论表明，豇豆通过两种截然不同的分子策略实现对美洲斑潜蝇的抗性："五月黑豆"(R1)采用JA依赖的化学防御，快速积累苯丙烷和类黄酮；"LD03"(R2)通过MAPK通路介导的结构强化，依赖生物碱合成和细胞壁加厚。这两种策略均依赖于精确的转录调控和代谢资源分配，而感病材料缺乏这种协调性。鉴定出的关键基因(CHS、F3H、VuLTR1、VuLTR2)和特化代谢物为分子育种提供了具体靶标。通过将JA-类黄酮(R1)和MAPK-生物碱(R2)模块进行基因聚合，利用"五月黑豆"等野生种质，有望培育出对杀虫剂抗性潜叶蛾具有持久抗性的豇豆品种。这项工作在分子机制与育种应用之间架起了桥梁，推动了弹性豇豆品种的选育，以减轻全球生产系统中杀虫剂残留、害虫抗性和再猖獗的威胁。
讨论部分强调，快速协调的转录和代谢重编程对豇豆抗美洲斑潜蝇至关重要。抗性材料早期富集关键信号通路(JA、MAPK)和防御代谢(苯丙烷生物合成)，而感病材料响应延迟或无组织。叶面积与为害密度的显著相关性表明，某些形态特征可能阻碍防御信号传播或资源分配。代谢特化直接将不同的化学武器库与特定抗性策略联系起来：R1中苯丙烷和类黄酮的优先化与物理屏障强化一致，R2中生物碱的特化针对昆虫生理。脂类和碳水化合物的持续下调支持资源分配权衡假说。整合分析揭示了一个从初始信号到防御执行的复杂时间调节级联。验证的基因表达模式为育种计划提供了具体目标，与针对蓟马、蚜虫和豆象的标记识别成功相呼应。利用"五月黑豆"等野生材料聚合这些快速警报/持续防御和强效后期毒性策略，通过标记辅助或基因组选择整合标记(如强烈诱导的VuLTR2)，具有重大前景。
