两个小麦（Triticum aestivum L.）品种响应俄罗斯麦蚜（Diuraphis noxia Kurdjumov）侵染的代谢分析

《Arthropod-Plant Interactions》：Metabolic analysis of two wheat (Triticum aestivum L.) cultivars in response to Russian wheat aphid (Diuraphis noxia Kurdjumov) infestation

　　

摘要

小麦是全球消费最广泛的谷类作物之一，在粮食安全中发挥着关键作用。作为一种主粮作物，小麦在许多家庭中提供必需营养素，并为每日热量摄入做出重要贡献。尽管小麦受到多种害虫的侵袭，俄罗斯麦蚜（RWA），即Diuraphis noxia，仍然是最具破坏性的害虫之一，造成相当大的产量损失。虽然抗性育种长期以来一直是首选的防治策略，但新出现的RWA生物型已日益克服先前有效的抗性基因。这凸显了对替代方法的需求，代谢组学（metabolomics）作为一种有价值的工具应运而生，可用于识别代谢生物标志物（metabolic biomarkers），以支持更快、更有效的抗性育种。因此，本研究旨在探究南非俄罗斯麦蚜生物型5（RWASA5）对两个小麦品种Tugela和Tugela DN代谢谱的影响。研究人员将这两个品种用RWASA5侵染，并在侵染后0、4、8、24和48小时收获，随后进行非靶向液相色谱-质谱联用（LC-MS）分析。共鉴定出19种代谢物，其中12种上调，7种下调。酚类化合物（phenolic compounds）是主要类别，其中开环异落叶松脂素二葡萄糖苷（secoisolariciresinol diglucoside）在Tugela DN中经RWASA5侵染后显著增加。黄酮类化合物（flavonoids）构成最丰富的酚类亚组。富集的代谢通路包括甘油磷脂（glycerophospholipid）、亚麻酸（linolenic acid）和花生四烯酸（arachidonic acid）代谢。这些发现表明，RWA侵染触发了小麦中显著的代谢转变，并为小麦-RWA互作及作物改良提供了见解。小麦是全球消费最广泛的谷类作物之一，在粮食安全中发挥着关键作用。作为一种主粮作物，小麦在许多家庭中提供必需营养素，并为每日热量摄入做出重要贡献。尽管小麦受到多种害虫的侵袭，俄罗斯麦蚜（RWA），即Diuraphis noxia，仍然是最具破坏性的害虫之一，造成相当大的产量损失。虽然抗性育种长期以来一直是首选的防治策略，但新出现的RWA生物型已日益克服先前有效的抗性基因。这凸显了对替代方法的需求，代谢组学（metabolomics）作为一种有价值的工具应运而生，可用于识别代谢生物标志物（metabolic biomarkers），以支持更快、更有效的抗性育种。因此，本研究旨在探究南非俄罗斯麦蚜生物型5（RWASA5）对两个小麦品种Tugela和Tugela DN代谢谱的影响。研究人员将这两个品种用RWASA5侵染，并在侵染后0、4、8、24和48小时收获，随后进行非靶向液相色谱-质谱联用（LC-MS）分析。共鉴定出19种代谢物，其中12种上调，7种下调。酚类化合物（phenolic compounds）是主要类别，其中开环异落叶松脂素二葡萄糖苷（secoisolariciresinol diglucoside）在Tugela DN中经RWASA5侵染后显著增加。黄酮类化合物（flavonoids）构成最丰富的酚类亚组。富集的代谢通路包括甘油磷脂（glycerophospholipid）、亚麻酸（linolenic acid）和花生四烯酸（arachidonic acid）代谢。这些发现表明，RWA侵染触发了小麦中显著的代谢转变，并为小麦-RWA互作及作物改良提供了见解。

论文解读：小麦响应俄罗斯麦蚜侵染的代谢组学分析

一、研究背景与目的

小麦（*Triticum aestivum*）是全球最重要的粮食作物之一，在全球范围内广泛种植，为人类提供必需的营养和热量来源。然而，小麦生产受到多种生物胁迫的严重制约，其中俄罗斯麦蚜（Russian wheat aphid, RWA；*Diuraphis noxia*）是最具破坏性的害虫之一，可导致高达75%的产量损失。长期以来，抗性育种是控制RWA的首选策略，但新出现的RWA生物型，特别是南非的RWASA5生物型，已日益克服先前有效的抗性基因，对粮食安全构成持续威胁。因此，迫切需要寻找替代或补充性的防治策略。代谢组学（metabolomics）作为一种系统性的分析方法，能够全面表征低分子量代谢物（metabolites）的组成和动态变化，为鉴定参与植物防御反应的代谢生物标志物（biomarkers）提供了有力工具，有望加速和优化抗性育种进程。本研究旨在利用非靶向液相色谱-质谱联用（LC-MS）技术，比较感虫品种Tugela和抗虫品种Tugela DN在RWASA5侵染后不同时间点的代谢谱差异，以揭示小麦-RWA互作的代谢基础，并筛选可用于抗性育种的潜在代谢标志物。该研究发表在《Arthropod-Plant Interactions》期刊上。

二、主要技术方法

研究人员在约翰内斯堡大学（Auckland Park校区）温室中进行实验，采用随机完全区组设计（RCBD）。供试材料为两个小麦品种Tugela（感虫）和Tugela DN（抗虫），在二叶期每株接种20头RWASA5蚜虫，并于侵染后0、4、8、24和48小时（hpi）收获叶片样本，每个处理设置三个生物学重复。代谢物提取采用80%甲醇溶剂提取法，随后通过液相色谱-四极杆飞行时间串联质谱（LCMS-9030 qTOF）在负离子模式下进行非靶向代谢物谱分析。数据预处理使用XCMS在线平台，采用CentWave特征检测方法。多元统计分析采用主成分分析（PCA）、正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）和偏最小二乘判别分析（PLS-DA），通过S-plot和VIP（Variable Importance in Projection）分数筛选显著差异代谢物。代谢物注释利用PubChem、MassBank、HMDB、KEGG等多个数据库，通路分析采用MetaboAnalyst 6.0版本。

三、研究结果

**（一）多元数据分析**

Venn图显示，Tugela和Tugela DN在全部时间点分别检测到4915和4895个代谢物特征。PCA分析显示两个品种间无显著分离，表明它们在主成分空间中具有相似的代谢响应模式。然而，OPLS-DA模型（R²X(cum) = 44.7%，Q²(cum) = 32.2%）实现了侵染与未侵染样本的清晰分离。共鉴定出19个潜在生物标志物，其中12个上调，7个下调。火山图分析进一步鉴定出17个显著差异代谢物。

**（二）差异代谢物鉴定**

注释的代谢物涵盖多种初级和次级代谢物。黄酮类化合物（flavonoids）是最主要的类别，包括木犀草素-6-C-葡萄糖苷、(-)-表没食子儿茶素没食子酸酯、异牡荆素-7-O-葡萄糖苷、芹菜素C-己糖苷-C-戊糖苷等。脂类代谢物包括磷脂酰胆碱PC(18:0/20:1(13Z))、磷脂酸PA(18:3(9Z,12Z,15Z)/20:1(11Z))和二酰甘油DG(22:1(13Z)/20:1(13Z)/0:0)等。其中DG(22:1(13Z)/20:1(13Z)/0:0)和PE(18:1(9Z)/18:1(11Z))具有最高的倍数变化（分别为1.30和1.11）。

**（三）代谢通路分析**

通路分析鉴定出8条显著富集的代谢通路，其中甘油磷脂代谢是最富集的通路，其次是亚麻酸代谢和花生四烯酸代谢（p < 0.05）。其他富集通路包括α-亚麻酸代谢、不饱和脂肪酸生物合成、糖基磷脂酰肌醇（GPI）锚定生物合成、丙酸酯代谢和β-丙氨酸代谢。

**（四）时间动态变化分析**

热图分析显示，表没食子儿茶素没食子酸酯在两个品种中均随时间积累，在48 hpi时最丰富。开环异落叶松脂素9,9'-二葡萄糖苷在Tugela DN中随时间显著增加。在Tugela品种中，芹菜素C-己糖苷-C-戊糖苷、三辛4'-O-（紫丁香醇）醚5-O-己糖苷等代谢物在侵染后浓度降低。VIP分析显示，Tugela中kaempferol和phellodensin F在24 hpi时显著诱导，而Tugela DN中apimaysin和TG(20:0/18:0/20:0)在24 hpi时浓度最高。

四、讨论与结论

讨论部分指出，酚类化合物特别是黄酮类化合物在RWA侵染后受到强烈调控，表明其在植物防御中的核心作用。抗虫品种Tugela DN表现出更协调和动态的防御相关代谢物调控，特别是在脂类相关类别和苯丙烷类衍生物中，而感虫品种Tugela则表现出更不稳定和一致性较差的代谢调整。脂类代谢变化，特别是磷脂酰胆碱、磷脂酸、二酰甘油和脂肪酸的变化，以及甘油磷脂代谢、亚麻酸代谢和花生四烯酸代谢通路的富集，突显了膜重塑和脂质信号在小麦-RWASA5互作中的核心作用。二酰甘油和磷脂酰乙醇胺上调并具有最高的log2倍数变化。结论认为，非靶向LC-MS分析成功表征了两个小麦品种对RWASA5侵染的代谢响应，揭示了品种和时间依赖的代谢重编程。共鉴定出19种代谢物，其中关键类别包括黄酮类、香豆素类、多酚类、苯并噁嗪类、甾体类、脂肪酰类、糖脂类、甘油磷脂类、磷脂酰胆碱和二酰甘油。不同时间点代谢物浓度的变化表明时间对代谢变化具有重要影响。这些已鉴定的代谢物可作为潜在生物标志物，对培育RWA抗性小麦品种至关重要。未来研究可通过不同方法验证这些指示性生物标志物，并整合基因组学、转录组学和蛋白质组学等多组学方法，以获得对小麦-俄罗斯麦蚜互作更全面深入的理解。