轮枝镰孢(Fusarium verticillioides)种子接种改变玉米细胞壁对后续地中海玉米螟(Sesamia nonagrioides)侵害的响应

《Plant Biology》：Fusarium verticillioides seed inoculation modifies maize cell wall responses to subsequent Sesamia nonagrioides infestation

　　

玉米对茎蛀虫和真菌感染的抗性受到细胞壁组成的强烈影响，但关于先前真菌种子定殖如何影响后续昆虫诱导的细胞壁响应，目前知之甚少。因此，本研究评估了用轮枝镰孢(Fusarium verticillioides)进行种子接种是否会改变玉米对地中海玉米螟(Sesamia nonagrioides)侵害的组成型和诱导型细胞壁防御。研究人员在四种处理组合下种植了7个玉米自交系，这些处理组合结合了轮枝镰孢种子接种的有无和地中海玉米螟侵害的有无。在茎髓组织中量化了隧道长度、木质素含量与组成，以及细胞壁结合的羟基肉桂酸。处理效应主要检测于木质素组成和羟基肉桂酸积累，而总Klason木质素和对香豆酸(p-coumaric acid, pCA)无显著改变。在未接种的植株中，地中海玉米螟侵害降低了紫丁香基木质素亚基(S)、阿魏酸(ferulic acid, FA)和二阿魏酸(diferulate)含量。相比之下，在由轮枝镰孢接种种子发育的植株中，昆虫侵害增加了阿魏酸和二阿魏酸，并改变了木质素组成，降低了S和紫丁香基/愈创木基比值(S/G)，同时增加了愈创木基木质素亚基(G)。这些响应强烈依赖于基因型。多元回归模型表明，S、阿魏酸、对香豆酸和二阿魏酸8-O-4(DFA 8-O-4)的组成型水平，连同G的诱导变化，解释了相对隧道长度的大部分变异。总体而言，这些结果表明，玉米对地中海玉米螟的抗性涉及组成型细胞壁性状和诱导型细胞壁重塑，并且先前的轮枝镰孢种子定殖可以改变这些响应的方向和幅度，强调了胁迫历史和基因型在玉米防御中的重要性。

论文解读：轮枝镰孢种子接种对玉米细胞壁防御地中海玉米螟的影响

玉米(Zea mays)生产长期受到地中海玉米螟(Sesamia nonagrioides Lefebvre, 鳞翅目夜蛾科)的严重威胁，该害虫幼虫蛀食玉米茎髓形成隧道，导致养分运输受阻、产量下降，并削弱植株结构完整性，使其更易遭受其他逆境。细胞壁是植物抵御害虫和真菌的重要物理屏障，其中木质素与细胞壁结合羟基肉桂酸（一类酚酸类化合物，包括对香豆酸(pCA)、阿魏酸(FA)及二阿魏酸(DFA)）在抗虫防御中发挥关键作用。已有研究表明，pCA和DFA含量升高与玉米对S. nonagrioides的抗性增强相关。然而，以往研究多将害虫与真菌感染作为独立胁迫考察，且重点分析组成型防御，对昆虫取食诱导的细胞壁动态重塑及其受先前微生物定殖影响的认识十分有限。在温带地区，轮枝镰孢(Fusarium verticillioides)是一种常见的种子传播内生真菌，可在无病症状态下定殖植株内部组织，并能促进植物生长、诱导木质素沉积等防御反应。但仅有少数工作探索了种子带菌对后续螟虫抗性的影响，结果提示该效应依赖于玉米基因型。因此，这项发表于《Plant Biology》的研究提出一个创新性的时序胁迫场景：先用F. verticillioides接种玉米种子，再使植株遭受S. nonagrioides侵害，以探究先前真菌定殖是否能改变昆虫诱导的细胞壁响应，并鉴定与抗性最相关的组成型与诱导型细胞壁成分。

研究人员利用7个玉米自交系，其中3个抗镰孢穗腐病(FER)品系（A509、A630、EP77）和4个感病品系（A239、EP125、EP42、PB130），在西班牙蓬特韦德拉的Misión Biológica de Galicia（CSIC）温室中开展试验。种子经表面消毒后，部分接种F. verticillioides孢子悬浮液（10⁶孢子/ml），在抽雄期对部分植株接入S. nonagrioides初孵幼虫，30天后采集果穗下方第一节间上半部茎髓组织，冻干研磨。四种处理组合为：未接种未侵染（CC）、未接种但侵染（CS）、接种但不侵染（FC）、接种并侵染（FS）。关键技术方法包括：改良Klason法测定总木质素含量；硝基苯氧化结合高效液相色谱(HPLC)分析木质素单体组成（紫丁香基S、愈创木基G、对羟苯基H亚基）；碱解提取细胞壁酯化羟基肉桂酸，经HPLC定量pCA、FA、DFA 8–5（直链和苯并呋喃型之和）、DFA 8-O-4和DFA 5–5，并计算总二阿魏酸(DFAT)。统计分析采用方差分析(ANOVA)和逐步多元线性回归。

主要结果如下：

木质素含量与组成方面，处理对总Klason木质素(KL)含量无显著影响，但显著改变木质素组成。在未接种F. verticillioides的植株中，S. nonagrioides侵染仅显著降低S亚基比例；而在接种种子生长而成的植株中，侵染显著降低S和S/G比值，同时显著增加G亚基比例。这表明种子带菌本身不改变木质素含量或组成，但能够调节昆虫取食所诱导的木质素组成重塑方向。基因型与处理互作对所有木质素性状均显著，说明该调节效应强烈依赖遗传背景。

羟基肉桂酸积累方面，处理对pCA含量无显著影响，但显著影响FA、各DFA异构体及DFAT含量。单独S. nonagrioides侵染或单独F. verticillioides接种均显著降低DFAT；而两者同时存在时，DFAT显著高于对照，表现出协同效应