亢菊俠,蘭文學(xué),楊 林
(1 楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 生物工程分院,陜西 楊凌 712100;2 西北農(nóng)林科技大學(xué) 植物保護(hù)學(xué)院,陜西 楊凌712100)
在漫長(zhǎng)的生物進(jìn)化過(guò)程中,植物進(jìn)化出一系列防御策略來(lái)應(yīng)對(duì)不良的環(huán)境條件。這些防御策略分為組成型防御機(jī)制和誘導(dǎo)型防御機(jī)制[1]。組成型防御機(jī)制一般是指植物本身具有的、能夠抵御外界病蟲(chóng)危害的物理因子和化學(xué)因子,這些因子在植物的一生中都不會(huì)發(fā)生重大改變;而誘導(dǎo)型防御機(jī)制是指植物自身不會(huì)主動(dòng)發(fā)生,必須有外界脅迫發(fā)生時(shí)植物經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的適應(yīng)后才會(huì)發(fā)生的防御反應(yīng)。誘導(dǎo)型防御途徑主要有茉莉酸(jasmonic acid,JA)途徑、水楊酸(salicylic acid,SA)途徑、脫落酸(abscisic acid,ABA)途徑、乙烯(ethylene,Et)途徑等[2]。JA途徑是植物在創(chuàng)傷條件下激活的一類誘導(dǎo)防御反應(yīng),植物內(nèi)部產(chǎn)生亞麻酸,在脂氧合酶(LOX)、丙二烯氧化物合成酶(AOS)等一系列酶促反應(yīng)的作用下最終生成JA和茉莉酸甲酯[3]。SA途徑在植物抗病原菌反應(yīng)中起著重要的作用,苯丙氨酸解氨酶(PAL)是該途徑的關(guān)鍵酶,催化合成SA前體物質(zhì)肉桂酸,且在SA下游受病程相關(guān)基因非表達(dá)子1(NPR1)的調(diào)控,從而最終建立誘導(dǎo)型防御[4]。
在自然界中,植物病毒-介體昆蟲(chóng)-寄主植物三者間存在著復(fù)雜的相互聯(lián)系。植物病毒可導(dǎo)致寄主植物發(fā)生變色、組織壞死和畸形等形態(tài)特征的變化[5],還能調(diào)節(jié)寄主體內(nèi)氨基酸、碳水化合物等營(yíng)養(yǎng)成分以及揮發(fā)性物質(zhì)的種類與含量[6-8]。介體昆蟲(chóng)的取食也能對(duì)寄主植物產(chǎn)生重要影響,如刺吸式昆蟲(chóng)取食后,植物能夠閉塞篩管并產(chǎn)生和釋放次級(jí)代謝物[9-10]。目前,寄主植物對(duì)植物病毒和介體昆蟲(chóng)產(chǎn)生上述防御反應(yīng)的機(jī)制尚不明確,前人曾報(bào)道寄主植物通過(guò)直接提高SA[11]、JA含量[12]來(lái)防御介體昆蟲(chóng)的脅迫,還通過(guò)體內(nèi)重要保護(hù)酶和解毒酶活性的變化來(lái)應(yīng)對(duì)病毒的影響[13],而有關(guān)植物病毒和介體昆蟲(chóng)誘導(dǎo)防御反應(yīng)過(guò)程中寄主植物關(guān)鍵基因表達(dá)水平變化的報(bào)道不多。
小麥(TriticumaestivumL.)是世界上最主要的糧食作物。由大麥黃矮病毒(barley yellow dwarf virus,BYDV)所致的小麥黃矮病是小麥的重要病害,其中BYDV-GAV是我國(guó)主要流行的BYDV株系;麥二叉蚜Schizaphisgraminum(Rondani)和麥長(zhǎng)管蚜Sitobionavenae(Fabricius)是小麥上的重要害蟲(chóng),且是BYDV-GAV的傳播介體。在田間,麥蚜和大麥黃矮病常?;旌习l(fā)生。由于SA和JA在寄主植物防御反應(yīng)中往往作為信號(hào)物質(zhì),為探究植物病毒對(duì)介體昆蟲(chóng)取食和植物防御反應(yīng)過(guò)程中SA和JA途徑關(guān)鍵基因表達(dá)水平是否有影響,本研究以BYDV-GAV為測(cè)試病毒,以麥長(zhǎng)管蚜和麥二叉蚜為試蟲(chóng),設(shè)置無(wú)蚜蟲(chóng)取食、無(wú)毒蚜蟲(chóng)取食、有毒蚜蟲(chóng)取食小麥,于取食后不同時(shí)間,檢測(cè)小麥葉片JA合成途徑中的關(guān)鍵基因LOX和AOS及SA途徑關(guān)鍵基因NPR1和PAL的表達(dá)水平,以期從寄主植物小麥的角度探討造成防御反應(yīng)差異的原因,為合理防治小麥蚜蟲(chóng)及黃矮病提供理論依據(jù)。
供試小麥品種為矮抗58。小麥種植前先用水浸泡種子24 h,然后將育苗基質(zhì)土裝入一次性塑料杯中,將土鋪平后在每個(gè)塑料杯中撒3粒種子,再蓋上一層土壤,用灑水壺噴水浸透。將所有處理的塑料杯集中放置在托盤上,將托盤放置在人工氣候室中(溫度為(20±1) ℃,相對(duì)濕度為60%±5%,光照時(shí)間為16 h/d),待小麥出苗后,保留一株幼苗,待幼苗兩片葉片完全展開(kāi)時(shí)用于試驗(yàn)。
無(wú)毒蚜蟲(chóng):無(wú)毒麥長(zhǎng)管蚜、麥二叉蚜為試驗(yàn)室前期自西北農(nóng)林科技大學(xué)北校區(qū)試驗(yàn)田(34°17′48.5″N,108°04′34.9″E)采集的單頭無(wú)翅成蚜,在上述小麥上飼喂,并于人工氣候箱中培養(yǎng),培養(yǎng)條件:溫度為(25±1) ℃,相對(duì)濕度為75%±5%,光照時(shí)間為16 h/d。 飼養(yǎng)3代后形成單克隆系。
感染BYDV-GAV蚜蟲(chóng):在西北農(nóng)林科技大學(xué)北校區(qū)試驗(yàn)田中采集出現(xiàn)小麥黃矮病癥狀的小麥植株,進(jìn)行RT-PCR鑒定,確認(rèn)小麥僅含有BYDV-GAV,具體試驗(yàn)方法同文獻(xiàn)[14]。將上述無(wú)毒麥長(zhǎng)管蚜、麥二叉蚜放入其中飼養(yǎng),飼養(yǎng)條件同上。蚜蟲(chóng)每代均進(jìn)行BYDV-GAV檢測(cè),確保成功感染。
試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)組:無(wú)蚜蟲(chóng)取食小麥(CK)、無(wú)毒麥長(zhǎng)管蚜取食小麥(Mock-Sa)、無(wú)毒麥二叉蚜取食小麥(Mock-Sg)、感染BYDV-GAV麥長(zhǎng)管蚜取食小麥(BYDV-Sa)和感染BYDV-GAV麥二叉蚜取食小麥(BYDV-Sg)。Mock-Sa、Mock-Sg、BYDV-Sa和BYDV-Sg處理:將單株種植的二葉期小麥一個(gè)葉片先用透明塑料薄膜包裹住,在另一個(gè)葉片上接10頭相應(yīng)的3齡無(wú)翅麥長(zhǎng)管蚜或麥二叉蚜;CK處理不接蚜蟲(chóng)。接蟲(chóng)后用透明塑料罩子將小麥整體罩住,放入上述人工氣候箱中。于蚜蟲(chóng)取食2 h(蚜蟲(chóng)達(dá)到穩(wěn)定取食所需時(shí)間),26,50,74和98 h時(shí),用體積分?jǐn)?shù)1%十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulfate,SDS)噴灑葉片,促使蚜蟲(chóng)口針從葉片中拔出,再用毛筆刷走蚜蟲(chóng),剪下葉片用液氮速凍,放入-80 ℃超低溫冰箱中保存。每組重復(fù)3次。
1.4.1 熒光實(shí)時(shí)定量引物設(shè)計(jì) 參考GenBank中LOX、AOS、NPR1和PAL序列(登錄號(hào)分別為GQ166692.1、AY196004、O0070069和AY00547-4),并以26S基因?yàn)閮?nèi)參(登錄號(hào)為Ta22845),利用軟件Primer 5.0設(shè)計(jì)引物(表1),引物由上海生工生物工程有限公司合成。用PCR對(duì)設(shè)計(jì)的引物進(jìn)行特異性檢測(cè),各引物均可擴(kuò)增出單一條帶且無(wú)引物二聚體,片段大小都在200 bp左右,可以滿足熒光實(shí)時(shí)定量PCR的引物設(shè)計(jì)要求。用qRT-PCR進(jìn)一步確定引物特異性,從熔解曲線看,各引物均具有單一峰值,證明該引物具有特異性,可用于qRT-PCR試驗(yàn)。
1.4.2 總RNA提取與檢測(cè) 將1.3的小麥葉片置于研缽中,加入液氮快速研磨后,按照50~100 mg/mL向研缽中加入Trizol Reagent試劑,然后按照試劑說(shuō)明書提取各組小麥葉片的總RNA。對(duì)提取的總RNA進(jìn)行1.2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),驗(yàn)證提取總RNA的完整性。將獲得的RNA置于-80 ℃?zhèn)溆?,測(cè)定230,260和280 nm處的吸光值(OD230、OD260和OD280),檢測(cè)提取組織RNA的濃度和質(zhì)量后,用反轉(zhuǎn)錄試驗(yàn)獲得 cDNA 模板。
1.4.3 相關(guān)基因的熒光實(shí)時(shí)定量檢測(cè) 采用TB Green?Premix Ex TaqTM Ⅱ試劑盒和實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀QuantStudio 3.0進(jìn)行試驗(yàn)。參照試劑盒說(shuō)明書,配制20 μL PCR擴(kuò)增體系:TB Green Premix Ex Taq Ⅱ(Tli RNaseH Plus)(2×)10 μL,PCR正向引物(10 μmol/L)0.8 μL,PCR反向引物(10 μmol/L)0.8 μL,ROX Reference Dye Ⅱ(50×)0.4 μL,DNA模板2 μL,滅菌水6 μL。PCR反應(yīng)條件:95 ℃預(yù)變性30 s;95 ℃變性5 s,60 ℃退火30 s,40個(gè)循環(huán)。每個(gè)樣品重復(fù)3次,反應(yīng)結(jié)束后收集循環(huán)閾值(Ct),采用2-ΔΔCt法[15]進(jìn)行相對(duì)表達(dá)量分析。
相對(duì)表達(dá)量數(shù)據(jù)利用SPSS 21.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)采用單因素方差分析,用Turkey法(P=0.05)進(jìn)行多重比較,不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)采用Kruskal-Wallis test非參數(shù)檢驗(yàn)(P=0.05)。利用Sigma Plot 10.0 軟件制圖。
使用Trizol提取各處理組小麥葉片總RNA,電泳結(jié)果見(jiàn)圖1。圖1顯示,在各處理組均可清楚地看到2條rRNA條帶(28 S和18 S),說(shuō)明獲得了完整性較好的RNA。對(duì)提取各處理組小麥葉片總RNA的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè),由檢測(cè)結(jié)果(表2)可知,各處理組總RNA的OD260/OD280和OD260/OD230值為1.94~2.18,總RNA質(zhì)量濃度為187~345 ng/μL,說(shuō)明樣品總RNA的純度達(dá)到試驗(yàn)要求。
表2 不同處理小麥樣品總RNA質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果Table 2 Quality detection of total RNA in wheat under different treatments
無(wú)BYDV-GAV和有BYDV-GAV蚜蟲(chóng)取食對(duì)小麥LOX基因表達(dá)量的影響如圖2所示。由圖2可知,與CK相比,Mock-Sa和Mock-Sg處理小麥LOX基因的相對(duì)表達(dá)量在蚜蟲(chóng)取食26 h均顯著下調(diào),而在取食50和98 h均顯著上調(diào),且Mock-Sg處理在74 h也顯著上調(diào),結(jié)果表明隨著取食時(shí)間的加長(zhǎng),麥蚜取食能顯著提高小麥體內(nèi)LOX的表達(dá)水平。
圖柱上標(biāo)不同小寫字母表示同一時(shí)間下不同處理間差異顯著(P<0.05)。下圖同Different lowercase letters indicate significant differences at P<0.05 level among treatments at the same time.The same below圖2 無(wú)BYDV-GAV和有BYDV-GAV蚜蟲(chóng)取食對(duì)小麥LOX基因表達(dá)量的影響Fig.2 Relative expression of LOX in wheat plants after fed by virus-free or BYDV-GAV infected aphids
由圖2還可知,與Mock-Sa處理相比, BYDV-Sa處理小麥LOX基因的相對(duì)表達(dá)量在蚜蟲(chóng)取食26,50,74和98 h均顯著下調(diào);與Mock-Sg處理相比, BYDV-Sg處理小麥LOX基因的相對(duì)表達(dá)量表現(xiàn)出與BYDV-Sa處理一致的趨勢(shì),即在蚜蟲(chóng)取食26~98 h均顯著下調(diào)。上述結(jié)果表明,BYDV-GAV能顯著降低小麥體內(nèi)LOX的表達(dá)水平。
無(wú)BYDV-GAV和有BYDV-GAV蚜蟲(chóng)取食對(duì)小麥AOS基因表達(dá)量的影響如圖3所示。由圖3可知,與CK相比,Mock-Sa和Mock-Sg處理小麥AOS基因的相對(duì)表達(dá)量在蚜蟲(chóng)取食26 h均顯著下調(diào),在取食50 h均顯著上調(diào),取食74 h時(shí)Mock-Sa處理顯著下調(diào);取食98 h時(shí)Mock-Sa處理小麥顯著上調(diào),Mock-Sg處理小麥顯著下調(diào)。表明麥蚜取食對(duì)小麥體內(nèi)AOS基因的表達(dá)水平影響不一致,因蚜蟲(chóng)種類而異。與Mock-Sa處理相比,BYDV-Sa處理小麥AOS基因的相對(duì)表達(dá)量在蚜蟲(chóng)取食26,50,74和98 h均顯著下調(diào);與Mock-Sg處理相比,BYDV-Sg處理小麥AOS基因的相對(duì)表達(dá)量在蚜蟲(chóng)取食26和74 h均顯著下調(diào)。表明BYDV-GAV能顯著降低小麥體內(nèi)AOS的表達(dá)水平。
圖3 無(wú)BYDV-GAV和有BYDV-GAV蚜蟲(chóng)取食對(duì)小麥AOS基因表達(dá)量的影響Fig.3 Relative expression of AOS in wheat plants after fed by virus-free or BYDV-GAV infected aphids
無(wú)BYDV-GAV和有BYDV-GAV蚜蟲(chóng)取食對(duì)小麥NPR1基因表達(dá)量的影響如圖4所示。由圖4可知,與CK相比,Mock-Sa處理小麥NPR1基因的相對(duì)表達(dá)量?jī)H在蚜蟲(chóng)取食50 h時(shí)顯著下調(diào),而Mock-Sg處理小麥在取食26 h顯著下調(diào),在50 h顯著上調(diào);其他時(shí)間2個(gè)處理均與CK無(wú)顯著差異,表明麥蚜取食對(duì)小麥體內(nèi)NPR1基因的表達(dá)水平總體上無(wú)顯著影響。與Mock-Sa處理相比,BYDV-Sa處理小麥NPR1基因的相對(duì)表達(dá)量在蚜蟲(chóng)取食74和98 h顯著下調(diào);與Mock-Sg處理相比,BYDV-Sg處理小麥NPR1基因的相對(duì)表達(dá)量在蚜蟲(chóng)取食26 h顯著上調(diào),在取食50 h顯著下調(diào)。表明BYDV-GAV在一定的時(shí)間段可降低小麥體內(nèi)NPR1的表達(dá)水平。
圖4 無(wú)BYDV-GAV和有BYDV-GAV蚜蟲(chóng)取食對(duì)小麥NPR1基因表達(dá)量的影響Fig.4 Relative expression of NPR1 in wheat plants after fed by virus-free or BYDV-GAV infected aphids
無(wú)BYDV-GAV和有BYDV-GAV蚜蟲(chóng)取食對(duì)小麥PAL基因表達(dá)量的影響如圖5所示。由圖5可知,與CK相比,Mock-Sa和Mock-Sg處理小麥PAL基因的相對(duì)表達(dá)量在蚜蟲(chóng)取食50 h均顯著上調(diào),74 h時(shí)僅Mock-Sg處理小麥PAL基因顯著上調(diào),98 h時(shí)僅Mock-Sg處理小麥顯著下調(diào),表明麥蚜取食對(duì)小麥體內(nèi)PAL基因表達(dá)水平的影響在不同時(shí)間表現(xiàn)不一致。與Mock-Sa處理相比,BYDV-Sa處理小麥PAL基因的相對(duì)表達(dá)量在蚜蟲(chóng)取食26,74和98 h均顯著下調(diào),在50 h 顯著上調(diào);與Mock-Sg處理相比,BYDV-Sg處理小麥PAL基因的相對(duì)表達(dá)量在蚜蟲(chóng)取食26,50,74和98 h均顯著下調(diào),表明BYDV-GAV能顯著降低小麥體內(nèi)PAL的表達(dá)水平。
圖5 無(wú)BYDV-GAV和有BYDV-GAV蚜蟲(chóng)取食對(duì)小麥PAL基因表達(dá)量的影響Fig.5 Relative expression of PAL in wheat plants after fed by virus-free or BYDV-GAV infected aphids
近年來(lái),研究植物病毒-介體昆蟲(chóng)-寄主植物三者間的交互作用來(lái)防治植物病毒和害蟲(chóng),受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注,而在寄主植物抵御外來(lái)脅迫的過(guò)程中,SA和JA防御途徑起著非常重要的作用。本研究表明,與無(wú)蚜蟲(chóng)取食對(duì)照相比,麥蚜取食能顯著提高小麥體內(nèi)LOX的表達(dá)水平,對(duì)NPR1的表達(dá)水平無(wú)顯著影響,而對(duì)AOS和PAL表達(dá)水平的影響因麥蚜種類或處理時(shí)間的不同而變化。與無(wú)毒蚜蟲(chóng)取食相比,攜帶BYDV-GAV蚜蟲(chóng)取食總體上能降低小麥體內(nèi)LOX、AOS、NPR1和PAL的表達(dá)水平。史曉斌[16]研究發(fā)現(xiàn),B型和Q型煙粉虱能顯著提高番茄體內(nèi)LOX基因的表達(dá)水平,這與本研究結(jié)果一致,但該研究還發(fā)現(xiàn),攜帶番茄黃化曲葉病毒煙粉虱取食可致番茄體內(nèi)NPR1基因的表達(dá)水平顯著增加(B型)或無(wú)顯著影響(Q型),這與本研究結(jié)果不一致,說(shuō)明植物病毒對(duì)植物防御作用的影響具有種的特異性。
本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),蚜蟲(chóng)取食的小麥體內(nèi)LOX基因表達(dá)水平顯著升高,表明蚜蟲(chóng)取食能提高增強(qiáng)JA途徑基因的表達(dá)。張弛等[13]研究發(fā)現(xiàn),麥長(zhǎng)管蚜取食后小麥體內(nèi)過(guò)氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)、酸性磷酸酶(ACP)和堿性磷酸酶(AKP)活性分別提高83.88%,126.45%,91.21%,197.26%和468.82%。上述結(jié)果說(shuō)明,昆蟲(chóng)取食能顯著改變寄主植物體內(nèi)生理生化反應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)昆蟲(chóng)取食的防御作用。大多數(shù)刺吸式昆蟲(chóng)在取食的時(shí)候會(huì)分泌膠狀和水狀唾液,其中膠狀唾液會(huì)在昆蟲(chóng)取食早期分泌并形成唾液鞘,保護(hù)口針;而水狀唾液中包含了一系列的活性組分,如酚氧化酶、過(guò)氧化物酶、果膠酶、纖維素酶、堿性磷酸脂酶等[17]。筆者推測(cè),唾液能幫助刺吸式昆蟲(chóng)穿刺植物、消化食物、解毒次生物質(zhì)并破壞植物的防御反應(yīng)。
攜帶植物病毒的昆蟲(chóng)取食寄主植物后,昆蟲(chóng)的生長(zhǎng)發(fā)育顯著加快[18],繁殖力顯著提高[19-20],種群內(nèi)稟增長(zhǎng)率顯著增加[21],取食行為顯著增強(qiáng)[22],表明植物病毒能提高介體昆蟲(chóng)對(duì)寄主植物的適應(yīng)能力,即植物病毒能協(xié)助介體昆蟲(chóng)應(yīng)對(duì)寄主植物的防御作用。本研究發(fā)現(xiàn),與無(wú)毒蚜蟲(chóng)取食處理相比,攜帶BYDV-GAV麥蚜取食處理小麥體內(nèi)LOX、AOS、NPR1和PAL的表達(dá)水平總體降低,表明BYDV-GAV能顯著降低小麥的誘導(dǎo)型防御水平,這為前人得出的“植物病毒能協(xié)助介體昆蟲(chóng)應(yīng)對(duì)寄主植物的防御作用”研究結(jié)果提供了一個(gè)合理的解釋。筆者推測(cè)出現(xiàn)該結(jié)果的原因可能是BYDV-GAV在麥蚜體內(nèi)循環(huán)過(guò)程中激活了麥蚜體內(nèi)抑制小麥防御途徑的酶,或者麥蚜取食的過(guò)程中BYDV-GAV改變了麥蚜唾液的成分,從而對(duì)小麥防御途徑產(chǎn)生了抑制作用。
前人研究表明,JA介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑是咀嚼式口器蟲(chóng)害和創(chuàng)傷誘導(dǎo)的主要途徑,而SA介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑是刺吸式口器蟲(chóng)害和病原菌侵染的主要誘導(dǎo)途徑[23-24],且一種激素的上升會(huì)導(dǎo)致另一種激素的下降[25]。蚜蟲(chóng)屬刺吸式口器昆蟲(chóng),SA途徑應(yīng)是其主要誘導(dǎo)途徑。但本研究發(fā)現(xiàn),與無(wú)蚜蟲(chóng)取食對(duì)照相比,麥蚜取食不同時(shí)間段均能顯著提高小麥JA途徑中LOX基因的表達(dá)水平,而對(duì)SA途徑中NPR1基因的表達(dá)水平無(wú)顯著影響,說(shuō)明JA可能在麥蚜取食過(guò)程中發(fā)揮了主要的防御作用;但與無(wú)毒蚜蟲(chóng)取食相比,攜帶BYDV-GAV的麥蚜在取食不同時(shí)間段均能顯著降低JA途徑中LOX和AOS基因的表達(dá)水平,且均能降低SA途徑中NPR1和PAL基因的表達(dá)水平,這與前人的研究不一致,需進(jìn)一步探究其原因。
本研究表明,BYDV-GAV和麥蚜之間的互利共生促進(jìn)了麥蚜對(duì)植物防御反應(yīng)的抵抗作用,這可能是導(dǎo)致麥蚜大發(fā)生并造成BYDV-GAV病毒擴(kuò)散的一個(gè)重要原因。但本研究只分析了攜帶BYDV蚜蟲(chóng)取食對(duì)小麥JA和SA途徑重要基因表達(dá)水平的影響,其具體互作機(jī)理仍不明確,因此仍需要進(jìn)一步利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)以及RNAi等方法深入研究,以明確植物病毒-介體昆蟲(chóng)-寄主植物三者之間更深層的基因適應(yīng)機(jī)制。