【 APT客户文章IF 6.169】三组学联合分析生物胁迫

Oral secretions from Mythimnaseparata insects specifically induce defence responses in maize as revealed byhighdimensional biological data

PLANT CELL ENVIRON  IF:6.169

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玉米受植食昆虫攻击的防御机制的调控模型如下图：

研究背景：

植物受食草昆虫攻击对其生存构成重大威胁，植物也因此进化形成复杂的防御调控系统。玉米作为世界范围内主要作物,受昆虫攻击造成巨大的生产损失。文章旨在研究玉米受食草昆虫攻击的响应机制，着重分析与机械损伤相比，食草昆虫的口腔分泌物对植物-昆虫之间互作所起的作用。

样本来源：

温室控制条件下培养的玉米自交系A188 (20°C,白天16 h)；粘虫（来源于中国科学院动物研究所）；

冰上收集来源于A188饲养的3~5周龄的100只粘虫的口腔分泌液，分装成小份后，液氮速冻后冷藏于-80℃备用。

W组：未处理的玉米叶片；W+W组：20 μL水处理V3期玉米机械损伤的叶片；W+OS 组：20μL口腔分泌液处理V3期玉米机械损伤的叶片。

技术：

转录组测序（三个生物学重复）

iTRAQ蛋白定量分析（三个生物学重复）

代谢组分析（五个生物学重复）

研究结果：

——转录组测序分析——

由后续植物激素水平变化得知, W+W组和 W+OS 组JA、SA和ABA含量在1.5h时高度上升, 此外，也考虑到防御相关代谢产物的酶的合成，因此选择1.5h和6h样本处理时间来进行转录组测序。所有测序结果取并集，总共检测到52012个基因，其中，差异表达的基因有4406个 （|FC|≥4，p≤0.05）。然后对上下调基因进行韦恩图分析，分别挑选60个差异表达最大的基因进行热图分析。其中上调基因多是参与植物防御，而下调基因多是与生长相关。

上、下调基因的Venn图和热图分析

——iTRAQ蛋白定量分析——

文章总共鉴定到2350个蛋白，其中差异蛋白有294个。与正常组相比，挑选出蛋白变化水平≥20%且p≤0.05的蛋白用于后续分析。然后对上下调蛋白进行韦恩图分析，分别挑选60个差异表达最大的蛋白进行热图分析。其中很多上调表达的蛋白参与JA信号通路、钙信号通路,植食昆虫诱导的植物挥发物生物合成和氧化还原调控通路；而下调表达的蛋白多是跟植物生长相关。提示玉米在受到植食物昆虫侵扰后实现生长到防御级联信号的转变。

上、下调蛋白的Venn图和热图分析

——蛋白组和转录组联合分析——

4406个差异表达的基因中，4142个基因没有检测到相应的蛋白表达，只有64个基因在蛋白水平上有明显变化。差异表达的蛋白有294个，其中214个在转录水平上没有显著差异，推测这些蛋白很可能存在转录后修饰。

蛋白组和转录组的所有基因韦恩图分析和差异表达基因数目统计

——激素类检测——

植物激素, 包括茉莉酸(JA)、水杨酸(SA)、脱落酸（ABA）和乙烯 (ET)等, 在植物防御植食昆虫中起着重要作用。因此利用靶向代谢组技术检测W+W组和 W+OS 组 （处理时间分别为0、0.5h、1.5h、3h、6h）叶片JA、JA-异亮氨酸缀合物、SA、ABA和ET的含量；并对这些激素合成相关基因在不同时间点的表达水平进行分析。

激素水平变化和激素合成相关蛋白的表达水平变化

——代谢组学分析——

UPLC-Q-TOF MS 系统检测W+W 和 W+OS 处理后48h非挥发性代谢物变化，检测到的代谢物主要分为以下几类：氨基酸、苯并恶唑嗪酮、酚类、黄酮和脂质。此外，W+OS处理组相比于W+W处理组和对照组，叶片含有更多的芳樟醇、乙酸苄酯、乙酸苯乙酯、香叶醋酸,荜澄茄油烯醇和倍半萜等；W+W处理组相比于对照组，含有更多的芳樟醇。由于烯萜类是植物防御的重要物质，因此文章也对烯萜类合成基因和蛋白的表达水平进行了检测。

玉米代谢组变化以及苯并恶唑嗪酮和烯萜类合成相关基因和蛋白的表达水平

——转录调控因子检测——

W+W和W+OS处理后，39个家族的289个转录调控因子的表达水平发生明显变化。文章对上下调表达的转录调控因子进行韦恩图分析，并对60个显著上调表达的转录调控因子和所有下调表达的转录调控因子进行热图分析。

转录调控因子韦恩图和热图分析

结论：

文章利用多组学（转录组学、蛋白组学、代谢组学）技术联合分析玉米受植食昆虫攻击后的响应机制，并构建绘制了系统的调控模型。这些数据对玉米防御昆虫灾害的进一步遗传学研究搭建了很好的框架，也为抗昆虫灾害的玉米新品种的培育奠定了良好的基础。