昆虫取食诱导的蒙古沙冬青细胞跨膜离子流对代谢组的影响

Ion fluxes across membrane are crucial signals in the response of plants to external stimuli. However, the method that the ion fluxes across membrane use to regulate downstream events remains unknown. Because of the lag in this regulation mechanism, the population of Ammopiptanthus mongolicus keeps decreasing for the negative effect of insects. In order to find out the function of Ca2+ and H+ in signal transduction and metabolism regulation in plants in the perception of herbivore so as to shed some light on the mechanism of perception in plant to insects and explore new ways to protect Ammopiptanthus mogolicus against insects, ion fluxes across membrane and the induced metabolic change would be combined innovatively. Different Ca2+ and H+ sources on the metabolism of A. mogolicus cells which were excited by insect oral secretion or methyl jasmonate will be examind with Non-invasive Micro-test technology, Laser Scanning Confocal Microscope and Nuclear Magnetic Resonance based metabolomics technology and a metabolic network which were influenced by different Ca2+ and H+ sources in this process would also be establish.

植物识别外界刺激早期信号事件的关键研究对象之一是跨膜离子流。然而，跨膜离子流如何调控下游变化，从而使植物对外界刺激做出特定响应的机理目前还不清楚。由于植物识别昆虫取食机理研究的滞后，影响了国家三级濒危植物蒙古沙冬青的保护和开发利用。本项目以沙冬青和其主要害虫灰斑古毒蛾为实验材料，利用非损伤微测技术、激光共聚焦显微技术和基于核磁共振（NMR）的代谢组学技术，创新性地将植物识别外界刺激的早期信号事件跨膜离子流变化与植物的代谢组变化结合起来，分析植物识别昆虫口腔分泌物和茉莉酸甲酯过程中，胞内Ca2+不同来源和胞质pH变化对代谢组的影响，建立此过程中不同Ca2+来源和胞质pH变化调控代谢途径的代谢网络图。揭示细胞跨膜Ca2+和H+离子流在植物细胞识别昆虫取食和调控代谢变化中的作用。阐明植物对昆虫取食的识别和代谢响应机理。为开发沙冬青虫害的新型防治方法提供理论依据。

细胞跨膜Ca2+和H+离子流、细胞膜电位、胞内Ca2+及活性氧含量变化是植物响应昆虫取食的早期信号。但植物通过Ca2+和H+离子流识别昆虫取食做出特定代谢响应、增强抗虫性的机理尚不清楚。项目以沙冬青、拟南芥及植食性害虫灰斑古毒蛾、小菜蛾等为实验材料，利用非损伤微测技术结合激光共聚焦技术，研究植物细胞跨膜Ca2+和H+离子流及活性氧积累与外界不同刺激的关系；通过转录组学结合代谢组学技术解析跨膜Ca2+和H+离子流与代谢变化的关系；利用GC-MS技术探讨Ca2+和H+离子流与激素信号网络、植物资源分配和水分平衡策略的关系。得到以下主要结果：1.跨膜Ca2+和H+离子流是植物细胞识别外界刺激的初始防御信号，植物可通过改变跨膜Ca2+和H+离子流的顺序、强度、持续时间及对活性氧（H2O2）信号的调控，将昆虫取食等外界刺激的特定信息传入细胞内。2.细胞膜Ca2+离子通道、Ca2+-ATPase、H+-ATPase等转运体是昆虫取食等外界刺激信号的感受体，调控了Ca2+和H+离子流的跨膜信号转导过程。3.沙冬青可通过改变体内叶片中蔗糖、松醇、葫芦巴碱等物质含量响应外界不同刺激，启动不同的防御模式。茉莉酸信号途径与这些抗虫代谢物质的积累密切相关。4.昆虫取食等外界刺激通过跨膜Ca2+、H+流调控胞内Ca2+信号，激活JA合成及信号转导途径，改变代谢组、积累抗虫活性物。5.茉莉酸甲酯可改变保卫细胞跨膜Ca2+、H+离子流，导致胞内Ca2+、H2O2积累，打开阴离子通道和外向K+通道，抑制内向K+通道，导致气孔关闭。6.昆虫取食增加JA含量，激活根尖细胞质膜H+-ATPase，H+外排促进IAA内流，使分生区和过渡区IAA积累，降低伸长区IAA含量，抑制初生根伸长。研究结果对筛选植物细胞识别外界刺激的新受体，揭示受体识别激发子的分子机理提供了重要的实验依据。为利用具有抗虫活性的代谢物研发新型无公害生物农药奠定了理论基础。