大豆（Glycine max）对南方粘虫（Spodoptera eridania）取食诱导抗性的研究

《Pest Management Science》：Soybean induced resistance to Spodoptera eridania herbivory

　　

背景（BACKGROUND）：组成型抗性（constitutive resistance）于植物发育过程中持续表达，而诱导抗性（induced resistance）可由昆虫取食触发。评估大豆品种诱导抗性及其与防御化合物表达和植株生长的关系，有助于基因型筛选及在综合害虫治理（integrated pest management, IPM）中利用诱导抗性。本研究选用两个先前筛选出的对南方粘虫（Spodoptera eridania）具不同组成型抗生性（antibiosis-resistance）的大豆品种，验证以下假设：先期S. eridania取食诱导同种幼虫更高抗性；抗性诱导伴随防御蛋白活性升高；抗性诱导伴随类黄酮水平升高；诱导抗性与植株生长存在权衡（trade-off）。 结果（RESULTS）：品种和伤害处理对叶面积消耗量影响显著；伤害影响幼虫存活率；品种×伤害交互作用对幼虫体重影响显著。抗性品种组成型超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）、过氧化氢酶（catalase, CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（ascorbate peroxidase, APX）、多酚氧化酶（polyphenol oxidase, PPO）及丙二醛（malondialdehyde, MDA）水平较高。取食使两品种SOD和PPO活性下降，使抗性品种Kunitz胰蛋白酶抑制剂（Kunitz trypsin inhibitor, KTI）升高。异槲皮苷（isoquercitrin）和大豆苷（daidzin）分别仅见于抗性和感性大豆。取食未改变类黄酮浓度。植株生长不受取食影响，感性植株生长快于抗性大豆。 结论（CONCLUSIONS）：所测酶及KTI参与大豆组成型抗性。过氧化氢（hydrogen peroxide, H2O2）参与伤害信号传导，MDA与组成型和诱导抗性相关。KTI仅在抗性品种取食后升高。异槲皮苷参与组成型抗性。诱导抗性无植株生长权衡（trade-off）。

论文解读：大豆（Glycine max）对南方粘虫（Spodoptera eridania）取食诱导抗性的生化机制与生长权衡研究

【研究背景与意义】

植物抗虫机制分为持续表达的组成型抗性（constitutive resistance）与昆虫取食后激活的诱导抗性（induced resistance）。南方粘虫Spodoptera eridania是巴西大豆重要多食性害虫，现有Bt转基因大豆对其控制效果不佳。前期已有大豆品种间组成型抗生性差异的报道，但S. eridania诱导抗性及相关氧化胁迫标志物、防御蛋白（defense proteins）、类黄酮（flavonoids）的综合关联尚不清楚。明确这些化学标记有助于高通量表型鉴定及在综合害虫管理（integrated pest management, IPM）中利用诱导抗性。该研究选用经前期验证具高组成型抗生性的抗性品种IAC 100与感性品种BRSGO 8360，设2×2因子（品种×伤害），检验S. eridania先期取食是否诱导系统抗性、是否与SOD/CAT/APX/PPO/KTI活性升高相关、是否诱导类黄酮积累及是否与生长存在权衡，成果发表于《Pest Management Science》。

【主要关键技术方法】

以抗性品种IAC 100与感性品种BRSGO 8360大豆为材料，V3期植株经5龄S. eridania幼虫取食约50%三出复叶造成"伤害（injured）"处理，对照仅套笼无虫；取上部未直接取食的新展开三出复叶进行系统诱导抗性检测。主要方法含：（1）S. eridania初孵幼虫取食生物测定，记录叶面积消耗、存活率、体重及营养指数；（2）采用氮蓝四唑法等测SOD、CAT、APX活性，比色法测PPO活性，紫外分光光度法按标准曲线算KTI活性，测H₂O₂含量及MDA含量反映氧化胁迫；（3）UPLC?QTOF?MS相对定量芦丁（rutin）、大豆苷（daidzin）、橙皮苷（hesperidin）、异槲皮苷（isoquercitrin）；（4）R1花期测株高、开花天数、总叶面积、植株干重评估生长；（5）双因素ANOVA及Tukey HSD检验、主成分分析（PCA）。

【研究结果】

3.1 生物测定——S. eridania幼虫取食表现

取食抗性品种叶片及先期受伤害植株叶片的幼虫叶面积消耗显著降低；伤害处理降低幼虫存活率；品种×伤害交互显著，感性品种未受伤时幼虫鲜重最高，受伤后显著下降，抗性品种则无差异。营养指数显示感性品种取食转化率（efficiency of conversion of ingested food, ECI）及近似消化率（approximate digestibility, AD）更高，受伤植株AD降低。表明组成型抗性及系统性诱导抗性均降低了叶组织可消化性与营养同化效率。

3.2 氧化胁迫标志物与防御蛋白定量

伤害使两品种H₂O₂平均升约19.2%、MDA升约42.2%，MDA在抗性品种组成型偏高。SOD、CAT、APX、PPO在抗性品种组成型活性显著高；SOD与PPO在伤害后略降（SOD降17.2%，PPO边缘显著P=0.0566），CAT与APX不因伤害变化。KTI在抗性品种组成型高6.7倍，且仅在抗性品种受伤后KTI活性显著上升（品种×伤害边缘显著P=0.0519）。说明组成型抗性关联多种抗氧化酶及PPO、KTI基础水平高，而诱导抗性在抗性品种中特异地伴随KTI上调，可能与降低昆虫消化及ECI相关。

3.3 类黄酮定量

芦丁与橙皮苷两品种均有且不受伤害影响；异槲皮苷（isoquercitrin）仅见于抗性品种IAC 100，大豆苷（daidzin）仅见于感性品种BRSGO 8360，二者浓度不因伤害改变。PCA显示SOD/CAT/APX/PPO/KTI活性及MDA沿PC1区分品种，KTI关联受伤抗性株，H₂O₂沿PC2区分受伤株。表明所选类黄酮中仅异槲皮苷可作为组成型抗性标志，无一关联诱导抗性。

3.4 大豆植株生长评估

伤害对株高、开花时间、总叶面积、叶干重均无显著影响；感性品种各项生长参数均显著高于抗性品种。说明诱导抗性表达未造成生长代价（trade?off），但组成型抗性与较慢生长存在权衡。

【讨论与结论总结】

讨论指出两品种均表现S. eridania取食诱导的系统抗性，抗性品种诱导能力更强。H₂O₂升高可能作为早期信号启动茉莉酸（jasmonic acid, JA）途径介导诱导抗性；MDA升高既反映氧化损伤也与组成型高JA合成相关。SOD/PPO在伤害后未升甚至略降可能因取样时点偏后或酶间竞争，未排除更早时相变化。KTI仅在抗性品种受伤上调，是参与诱导抗性的关键防御物质；PPO主要贡献组成型抗性。类黄酮异槲皮苷为组成型抗性特征标记，不受诱导影响。早期约50%三出复叶取食未引起后续生长抑制，不支持诱导抗性—生长权衡假说，但与IPM利用诱导抗性不损产量的预期相符。作者承认缺机械损伤对照、单次取食及未测籽粒产量等为局限。

CONCLUSIONS（结论译文）：所测酶活性及Kunitz胰蛋白酶抑制剂（KTI）参与大豆组成型抗性。过氧化氢（H₂O₂）参与伤害信号传导，丙二醛（MDA）与组成型及诱导抗性均相关。取食后仅抗性品种KTI升高。异槲皮苷（isoquercitrin）参与组成型抗性。S. eridania取食诱导的大豆诱导抗性与植株生长无权衡（trade?off）。