虫害诱导番茄招募根际促生菌及其诱发番茄抗虫的机理

Plants subjected to herbivore attack will release volatiles to attract natural enemies to control pests. This plant-pest-natural enemy tri-trophic interaction is one of hot research areas in chemical ecology. However, whether plants whose above-ground parts suffer from insect herbivore damage can recruit the underground beneficial rhizosphere microorganisms to induce plant systemic defense is unknown. In this study after leaves of tomato plants (Lycopersicon esculentum Mill.) are infested by caterpillars of cotton ballworm (Helicoverpa armigera Hubner) changes in composition and quantity of root exudates of tomato will be analyzed by LC/MS, and changes in the rhizosphere microbial communities measured by metagenomic methods. The plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) induced by insect attack will be isolated and identified. The effects of plant growth stages and severity of insect damage on root exudates and rhizosphere microbial communities will be evaluated. The signaling transduction pathway regulating herbivore-induced PGPR will be elucidated through exogenous application of signaling compounds and use of a JA signaling perception biosynthesis mutant plants. Effects of colonization of tomato plants by herbivore-induced PGPR strains on herbivore feeding, oviposition selection, defensive responses, herbivore-induced volatiles will be examined. This study is important for discovering special plant induced defense strategy and elucidating complicate co-evolution relation among PGPR, host plants and herbivorous insects, and it will lay a good foundation for use of PGPR for pest management in agriculture.

植物在遭受植食性昆虫袭击时会释放挥发物以此吸引天敌控制害虫，这种植物-害虫-天敌三营养关系研究是化学生态学的研究热点之一。然而，对于植物地上部遭受虫害是否会招募地下有益根际微生物，进而诱导植物产生系统抗虫性缺乏研究。本项目拟在番茄叶片受到棉铃虫为害后，用LC-MS等分析根分泌物的组成变化，用微生物宏基因组方法测定根际微生物群落的变化，分离鉴定其中虫害诱导聚集的根际促生菌(PGPR)，比较番茄不同生长期虫害和不同程度虫害对根分泌物和根际微生物群落的影响差异。利用番茄茉莉酸信号突变体和外源使用信号物质明确虫害诱导招募的PGPR与信号转导途径间的关系。研究不接种和接种这些PGPR的植株在害虫取食和产卵选择、抗虫防御反应及虫害诱导挥发物上的差异。研究将对揭示植物特殊的诱导抗虫途径、阐明PGPR-植物-害虫间复杂的协同进化关系有重要意义，也为利用PGPR控制作物虫害提供指导

植物在遭受植食性昆虫袭击时会释放挥发物以此吸引天敌控制害虫，这种挥发物介导的植物-害虫-天敌三营养关系被证实广泛存在于植物界，是过去三十年化学生态学的研究热点之一。然而，对于植物地上部遭受虫害是否会释放根分泌物招募地下有益根际微生物，进而诱导植物产生系统抗虫性缺乏研究。本项目在番茄叶片受到斜纹夜蛾幼虫取食为害后，用UPLC-MS/MS等分析根分泌物的组成变化，用微生物宏基因组方法测定根际微生物群落的变化，分离鉴定其中虫害诱导聚集的有益菌，研究招募的细菌对番茄系统抗虫性的影响。研究发现，在同一土壤中连续种植番茄三季，每季番茄都遭受斜纹夜蛾取食后，第四季种植在同一块土壤中的番茄植株对害虫的抗性显著增强；将虫害胁迫后的番茄根际土壤制备成土壤悬液（含有土壤微生物）后灌根接种番茄植株，可以有效地提高番茄对斜纹夜蛾的防御能力，表明番茄遭受虫害胁迫可能通过改变土壤微生物群落形成“土壤记忆”，影响后续植株对害虫的防御能力；虫害取食改变地下部土壤微生物群落结构，导致具潜在生防作用的Burkholderia，Pseudomonas和Acidibacter等属细菌富集于根际土壤中共同增殖；虫害也显著改变番茄根系分泌物，且虫害后番茄根分泌物中含量显著增加的差异分泌物与虫害胁迫后上调的根际土壤微生物呈正相关，表明根分泌物的改变与土壤微生物改变有密切的相关关系；从番茄植株遭受虫害胁迫的根际土壤中分离微生物，将筛选到的5个假单胞菌株接种到番茄植株后，叶片中茉莉酸信号途径及抗虫相关的防御基因上调表达，叶片防御酶的活性增强；将其中的假单胞菌株R27接种到番茄根部后，番茄植株抵御斜纹夜蛾为害的能力显著增强；同时，R27菌株对虫害诱导的番茄根分泌物组份水杨酸和阿魏酸有明显的趋化性，合适浓度下这两个化合物显著促进根际细菌R27的增殖。本项目成果揭示了植物新的诱导抗虫途径，即遭遇虫害时通过释放根分泌物招募根际细菌来进一步增强植物的抗虫性，分离的高效诱导植物抗虫菌株为农业生产上利用根际有益菌控制虫害提供了可能。