欧洲栎树叶转录组对专食性与广食性昆虫取食的差异调控机制研究

《Tree Physiology》：Modulation of the leaf transcriptome of Quercus robur by specialist and generalist herbivorous insects

本研究针对长寿命树种如何差异响应专食性与广食性昆虫取食这一科学问题，通过RNA-seq技术分析欧洲栎树叶受栎绿卷蛾（专食性）和舞毒蛾（广食性）侵害后的转录组变化。研究发现MYC2/JAZ/ERF1等关键转录因子通过茉莉酸(JA)和乙烯(ET)通路激活防御基因表达，广食性昆虫引发更广泛的转录重编程（1,591个差异基因），而专食性昆虫特异诱导细胞壁修饰相关基因。研究首次功能验证QrTPS1编码Germacrene D合酶，揭示抗性基因型(T-oaks)通过强化次生代谢防御机制。该成果为森林抗虫树种选育提供分子靶标，发表于《Tree Physiology》。

　　

随着气候变化加剧，森林树木正面临日益严重的生物胁迫威胁。在欧洲中部森林中，夏栎（Quercus robur）作为关键树种，不仅支撑着千余种动物的生存，其优质木材更具有重要经济价值。然而近年来，专食性昆虫栎绿卷蛾（Tortrix viridana）和广食性昆虫舞毒蛾（Lymantria dispar）的频繁爆发导致栎树生长衰退甚至死亡，成为栎树衰退现象的重要推手。特别值得关注的是，不同栎树基因型对昆虫侵害表现出显著差异的抗性，但长寿命树种如何在不同类型昆虫攻击下启动差异化防御机制，这一科学问题尚未得到系统阐释。

为揭示栎树防御机制的分子基础，由Malte Mader等研究人员组成的团队在《Tree Physiology》上发表了最新研究成果。他们通过精心设计的昆虫取食实验，结合高通量转录组分析和生化验证，绘制了栎树应对专食性与广食性昆虫的分子防御图谱。

研究团队采用的主要技术方法包括：利用嫁接技术获得抗性(T)与敏感(S)型栎树基因型材料；通过20小时昆虫取食实验设置对照与处理组；采用链特异性RNA-seq技术进行转录组测序（72个样本）；使用dhQueRobu3.1参考基因组进行序列比对；通过DESeq2进行差异表达分析；利用STRING数据库构建蛋白互作网络；并采用异源表达和GC-MS技术验证关键基因功能。

整体转录组响应特征

研究发现，无论昆虫种类如何，取食均引发了广泛的转录组变化，1,068个基因出现差异表达，其中992个基因上调，仅76个基因下调。基因集富集分析(GSEA)显示，单加氧酶活性、萜类合成酶活性等防御相关通路显著激活，而光合作用相关基因则被抑制，表明栎树将资源从生长转向防御。

激素信号与转录因子网络

STRING网络分析揭示了MYC2在防御网络中的核心地位，它与JAZ阻遏蛋白、WRKY33等形成紧密互作模块。茉莉酸(JA)信号通路中，JAZ8（TIFY5A）因缺乏功能性Jas结构域，可能通过非典型方式防止JA信号的过度激活，体现了防御网络的精细调控。

专食性与广食性昆虫的差异响应

比较分析揭示了2,142个差异表达基因，舞毒蛾（广食性）引发了更广泛的转录重编程，1,025个基因表达高于栎绿卷蛾处理组。广食性昆虫强烈激活了萜类合成、乙烯信号和单加氧酶活性等通路，而专食性昆虫则特异诱导丝氨酸型内肽酶活性、果胶酯酶抑制剂活性等细胞壁相关基因。

QrTPS1的功能验证

研究人员通过异源表达和体外酶活实验，证实QrTPS1编码功能性倍半萜合酶，其主要产物为Germacrene D。该基因在舞毒蛾取食后表达显著上调（log₂FC=3.7），连接了MYC2调控与次生代谢防御的实际输出。

基因型特异性防御策略

抗性基因型(T-oaks)与敏感型(S-oaks)的转录组差异在栎绿卷蛾取食时更为明显（1,477 vs 536个DEGs）。T-oaks组成性激活防御通路，而S-oaks更多依赖诱导防御。在专食性昆虫压力下，T-oaks中ERF转录因子表达更高，而S-oaks则上调磷酸化相关基因。

本研究系统揭示了栎树通过整合JA、ET和ABA信号通路，差异化应对不同类型昆虫攻击的分子机制。广食性昆虫引发"全面防御"，激活广泛的次生代谢；而专食性昆虫诱导"精准防御"，强化细胞壁屏障。MYC2作为核心调控枢纽，协调这一复杂防御网络。研究首次在树木中证实抗性基因型通过预激活防御通路和增强次生代谢（如倍半萜合成）提高抗虫性。这些发现不仅深化了对树木-昆虫协同进化的理解，更为选育抗气候变化树种提供了分子标记，对森林可持续管理具有重要实践意义。