大气CO2 浓度升高对野生烟草抗虫能力的影响及分子机理研究

Herbivore feeding is a major biotic stress for almost all plants. When plants perceive herbivory, they rapidly activate complex regulatory networks, including the biosynthesis of stress-related phytohormones and large changes of the expression of various genes, to regulate the biosynthesis and accumulation of defensive secondary metabolites, and finally enhance the defense levels of plants. The impact of climate change caused by increasing use of fossil fuels on ecology and agriculture has become a focus of research. The rapidly increasing CO2 concentration has a strong effect on plant photosynthesis, development, and growth; however, its impact on plant resistance to herbivores and the underlying mechanism remain unclear. A wild tobacco, Nicotiana attenuata, is an important model plant for studying plant defense against herbivores, and much is known about its responses to herbivory and many molecular regulatory networks have been elucidated. In this proposed project, we will study the impact of CO2 in different concentrations on the response of N. attenuata to different herbivore feeding (chewing insect Heliothis assulta and pierce-sucking insect Myzus persicae) on the levels of herbivory-induced phytohormones, transcriptomes, defensive secondary metabolites, and resistance, and furthermore, genetically modified plants deficient in jasmonic acid, salicylic acid, and ethylene signaling pathway will used to determine the underlying mechanism by which atmospheric CO2 affects plant resistance to different herbivores. This project will not only shed light on how climate change will affect plant resistance to herbivores and the underlying mechanism, but also is of important reference for creating policies to act on climate change.

昆虫取食对植物是重要的胁迫。植物受昆虫取食后，能够快速启动复杂的调控机制，包括抗虫相关植物激素的合成以及大量基因表达水平变化，从而调控次生代谢产物的合成，以提升植物的抗虫能力。气候变化对自然生态和农业生产的影响已成为了研究热点。大量化石燃料使用造成的大气CO2浓度上升对植物光合作用和生长发育都有较大影响，然而由此造成的植物抗虫能力的变化及其分子机理还很不清楚。野生烟草Nicotiana attenuata的昆虫取食诱导响应及其分子调控网络已经得到了较深入的研究。本项目中，我们拟测定CO2浓度对野生烟草在昆虫（嚼式口器烟青虫和刺吸式口器烟蚜）取食后诱导的抗逆相关激素、转录组、抗虫代谢产物以及抗虫能力的影响，并结合使用茉莉酸、水杨酸和乙烯途径缺失的植物研究CO2浓度影响植物抗虫的分子机理。本项目为了解植物抗虫能力受气候变化的影响及其分子机理，以及基于此而制定相应的对策提供重要数据。

病虫害严重威胁植物的生长和发育，而农药的大量使用又对动物和人类造成了很大的危害。因此，了解植物的抗虫和抗病分子机制成为找到新型抗病虫害方法和生物防治手段的重要基础。近些年来，由于化石燃料的大量使用，大气中CO2的浓度大幅度升高。目前已有研究表明，大气CO2浓度升高影响植物的抗虫和抗病能力，但是其具体的分子机制还不清楚。因此，我们选用了三个相互作用体系来研究大气CO2浓度升高对植物抗虫和抗病的影响，并进一步探讨了其分子机制。选用的三个体系分别为：栽培烟草（Nicotiana tabacum）与斜纹夜蛾（Spodoptera litura）、水稻（Oryza sativa）与粘虫（Mythimna separata）以及野生烟草（Nicotiana attenuata）与丁香假单胞菌番茄致病变种（Pseudomonas syringae pv tomato DC3000, Pst DC3000）。.对植物来说，昆虫取食是一种重要的生物胁迫。在本项目中，我们选用了栽培烟草和斜纹夜蛾以及水稻和粘虫的互作体系，通过激素测定、荧光定量PCR、次级代谢产物测定以及昆虫营养指数分析等方法，深入探讨升高的CO2（elevated CO2；ECO2）对植物抗鳞翅目昆虫的影响。研究发现，ECO2增加了栽培烟草抗斜纹夜蛾的能力，但是降低了水稻抗粘虫的能力。进一步的分析发现，ECO2通过影响栽培烟草和水稻的JA含量，最终改变了二者次级代谢产物的含量，从而导致二者抗虫能力的改变。.在植物生长过程中病原细菌侵染也是一种重要且十分常见的危害。本项目还选用了野生烟草和丁香假单胞菌番茄致病变种Pst DC3000互作体系和直接接种菌液的方法来研究大气CO2浓度升高对植物抗病原细菌的影响。结果表明，ECO2增强了野生烟草抗Pst DC3000的能力，这一过程是通过增加野生烟草中的SA含量和降低JA的含量实现的，而且SA和JA在这一过程中很可能有拮抗作用。.本项目工作表明大气CO2浓度升高通过影响植物体内的JA和SA信号通路改变了植物的抗虫和抗菌能力，并且这种改变随植物和昆虫/病菌种类的不同而不同。一方面本论文为了解未来气候变化后对植物抗病虫害及其分子机理的研究提供重要的理论依据；另一方面本论文也为制定有效的措施来应对气候变化对自然生态和农业生产所造成的影响提供参考数据。