整合转录组与代谢组分析揭示野生稻（Oryza nivara 与 Oryza rufipogon）抗褐飞虱的协同防御策略

《Agronomy》：Integrated Transcriptomic and Metabolomic Analyses Reveal Coordinated Defense Strategies Underlying Brown Planthopper Resistance in Wild Rice Species (Oryza nivara and Oryza rufipogon)

　　

水稻（Oryza sativa L.）因褐飞虱（Nilaparvata lugens St?l；BPH）这一韧皮部取食性害虫而遭受严重产量损失，持久性寄主抗性被广泛认为是最经济的防治策略。水稻近缘野生稻拥有丰富但尚未充分发掘的抗性资源。然而，其对比鲜明的抗性表型背后的分子与代谢机制仍知之甚少。本研究整合昆虫生物测定、转录组分析和广泛靶向代谢组学，比较了抗性野生稻尼瓦拉稻（Oryza nivara）与感虫普通野生稻（Oryza rufipogon）对褐飞虱取食的响应。褐飞虱在O. nivara上体重增加量、蜜露排泄量和存活率均显著降低，这与基于抗生性的强抗性一致。转录组和代谢组分析表明，O. nivara优先激活茉莉酸信号和苯丙烷-类黄酮生物合成途径，并积累类黄酮和木脂素/香豆素类化合物；而O. rufipogon主要诱导核糖体和初级代谢相关基因，并积累氨基酸、核苷酸和脂质。整合分析揭示O. nivara中存在一条协调的莽草酸-苯丙烷-类黄酮代谢轴，同时伴随茉莉酸和水杨酸信号增强以及生长素生物合成受抑制。外源施用茉莉酸或水杨酸可增强感虫O. rufipogon的抗性。研究结果揭示了野生稻应对褐飞虱的协同防御策略，并突出了可用于培育栽培稻持久抗性的关键代谢与调控节点。

论文解读：野生稻抗褐飞虱的整合转录组与代谢组学分析

一、研究背景与科学问题

褐飞虱（Nilaparvata lugens St?l；BPH）是水稻（Oryza sativa L.）最具破坏性的韧皮部取食性害虫之一，若虫和成虫从筛管中吸取光合产物，严重为害时可导致植株黄化、倒伏（又称“虱烧”），并传播水稻矮缩病毒，进一步加剧产量损失。长期以来化学防治占据主导地位，但褐飞虱对多数登记杀虫剂产生抗性以及非靶标效应问题，使其可靠性不断下降。因此，寄主植物抗性被视为最可持续且环境友好的防控策略。然而，栽培稻中已部署的抗性往往寿命较短，褐飞虱种群适应迅速，新生物型可在品种释放后数年内克服主要抗性基因。同时，驯化和现代育种导致育种者可用的遗传资源趋窄，优良种质中独立抗性来源相对匮乏。因此，亟需发掘不受单一主效基因限制的抗性机制，以及能够规避驯化瓶颈的种质资源。

野生稻在与植食性昆虫长期自然共存中积累了远高于栽培稻的遗传和功能多样性。普通野生稻（Oryza rufipogon）和尼瓦拉稻（Oryza nivara）被认为是亚洲栽培稻的重要祖先种，携带丰富的抗性相关等位基因。值得注意的是，O. nivara对褐飞虱表现出强抗性，而与其亲缘关系很近且可杂交的O. rufipogon则相对感虫。这一对比为在同一基因组背景下研究防御输出差异提供了独特材料。然而，野生稻在系统层面上的分子和代谢防御机制仍不清楚。为此，研究人员开展了本研究，旨在通过整合生理学、转录组学和代谢组学手段，解析两种野生稻应对褐飞虱取食的对比防御策略。

二、研究内容与主要结论

研究人员利用昆虫生物测定、转录组测序（RNA-seq）和广泛靶向代谢组学技术，系统比较了抗性O. nivara和感虫O. rufipogon在褐飞虱取食48小时后的响应差异。结果表明，褐飞虱在O. nivara上的体重增加量、蜜露排泄量显著降低，若虫死亡率显著升高，证实其抗性以抗生作用为主。转录组分析显示，O. nivara在取食后仅有1080个差异表达基因（DEGs），而O. rufipogon则有2828个，感虫种呈现出更广泛但缺乏聚焦的应激响应。基因本体（GO）和KEGG富集分析表明，O. nivara特异性激活苯丙烷生物合成、类黄酮生物合成、几丁质酶活性等防御相关途径；而O. rufipogon则主要富集核糖体、氨基酸和脂质代谢等初级代谢途径。代谢组学检测共鉴定出962种代谢物，O. nivara中差异积累代谢物（DAMs）为175种，O. rufipogon为286种。O. nivara显著积累类黄酮和木脂素/香豆素类化合物，而O. rufipogon则积累大量氨基酸、核苷酸和脂质。整合分析揭示了O. nivara中一条协调的莽草酸-苯丙烷-类黄酮代谢轴，并伴随茉莉酸（JA）和水杨酸（SA）信号增强及生长素生物合成抑制。外源施用JA或SA可显著增强感虫O. rufipogon的抗性，而在已高抗的O. nivara上无额外效应。这些结果揭示了野生稻应对褐飞虱的协同防御策略，为栽培稻持久抗性育种提供了关键代谢和调控靶点。

三、关键技术与方法

本研究采用了以下主要技术方法：（1）昆虫生物测定：通过蜜露排泄量、成虫体重增加量和若虫死亡率评价抗生性；（2）转录组测序：利用Illumina NovaSeq平台对叶鞘组织进行RNA-seq，以DESeq2鉴定DEGs（|log₂FC|≥1，FDR<0.05）；（3）广泛靶向代谢组学：采用超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-MS/MS）结合多反应监测模式，通过OPLS-DA和VIP≥1、|log₂FC|≥1筛选DAMs；（4）整合分析：对共有KEGG通路中的DEG-DAM对进行Spearman相关分析（|R|>0.8，FDR<0.05）；（5）qRT-PCR验证关键防御基因表达；（6）外源激素功能验证。样本来自温室培养的两种野生稻，每个处理设3个生物学重复，每个重复由10株植物的叶鞘组织混合而成。

四、主要研究结果

3.1 褐飞虱在两种野生稻上的表现：褐飞虱在O. nivara上取食48小时后体重增加量和蜜露排泄量显著低于O. rufipogon，若虫死亡率显著更高，表明O. nivara的抗性基于抗生作用。

3.2 转录组响应分析：O. nivara在褐飞虱取食后仅1080个DEGs，O. rufipogon为2828个。GO分析显示O. nivara富集几丁质酶活性、脂肪酸/有机酸生物合成、oxylipin代谢和防御响应等术语；O. rufipogon则富集核糖体结构组分、色氨酸代谢等初级代谢相关术语。KEGG分析进一步证实O. nivara特异性富集苯丙烷和类黄酮生物合成，而O. rufipogon主要富集核糖体和萜类生物合成。

3.3 物种特异性DEGs鉴定：Venn分析显示，O. nivara有575个特有DEGs，O. rufipogon有2323个。O. nivara特有DEGs显著富集在苯丙烷和类黄酮生物合成等次级代谢通路；O. rufipogon特有DEGs则富集在核糖体、MAPK信号通路和植物-病原互作等通路。

3.4 代谢组学分析：共检测962种代谢物。O. nivara有175个DAMs（162上调），O. rufipogon有286个DAMs（268上调）。KEGG富集显示O. nivara DAMs富集在亚油酸代谢、类黄酮生物合成等途径；O. rufipogon则富集在氨基酸、核苷酸和生物碱代谢。

3.5 物种特异性DAMs：O. nivara中类黄酮和木脂素/香豆素类强烈诱导；O. rufipogon中生物碱、氨基酸衍生物、脂质和核苷酸类大量积累。

3.6 转录组-代谢组联合分析：共享通路包括植物激素信号转导、α-亚麻酸代谢、苯丙烷生物合成等。O. nivara特有的通路为类黄酮生物合成、抗坏血酸代谢等，且DEGs与DAMs协同变化。代谢通路重建显示，O. nivara中苯丙氨酸解氨酶（PAL）、4-香豆酸辅酶A连接酶（4CL）、查尔酮合酶（CHS）、黄烷酮3-羟化酶（F3H）、二氢黄酮醇4-还原酶（DFR）和花青素合酶（ANS）等基因强烈上调，而O. rufipogon中多数下调。O. nivara中水杨酸积累而生长素前体减少，JA合成基因（LOX、AOS、AOC、JAR1）显著上调。

3.7 激素功能验证与qRT-PCR：外源JA（100 μmol/L）或SA（50 μmol/L）处理使感虫O. rufipogon上褐飞虱体重增加量显著降低；而O. nivara上无显著差异。qRT-PCR验证了OsPAL2、Os4CL2、OsHCT1和OsLOX2的表达趋势与RNA-seq一致，且PAL和LOX酶活性在O. nivara中增强幅度更大。

五、讨论与结论总结

讨论指出，抗性并非来自更强的整体响应，而是来自对防御相关通路的优先高效配置。O. nivara通过激活莽草酸-苯丙烷-类黄酮轴并协调JA/SA信号、抑制生长素合成，实现了对褐飞虱的强抗生作用；而O. rufipogon则发生广泛的初级代谢重编程，可能改善韧皮部营养质量，反而有利于害虫。两者共享的基础防御包括WRKY/MYB转录因子、MAPK信号组分和木质素合成基因，但木质素的同等诱导表明其不能单独决定抗性差异。研究同时强调，这些结论主要基于关联性证据和外源激素实验，尚需通过基因敲除、互补和酶学测定进一步验证。结论部分总结：整合生物测定、转录组学、代谢组学和药理学验证，研究揭示了O. nivara通过莽草酸-苯丙烷-类黄酮轴与增强的JA/SA信号及受抑制的生长素生物合成来防御褐飞虱，而感虫O. rufipogon则启动泛化的初级代谢响应，无法限制褐飞虱取食。这些发现为培育栽培稻持久抗虫性提供了候选代谢和调控节点，但需进一步通过定向遗传与生化扰动加以确证。