综述 | Evolutionary Applications：云杉中的羟基苯乙酮防御云杉蚜虫
编译：刘宁，编辑：十九、江舜尧。
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论文ID
原名：Hydroxyacetophenone defenses in white spruceagainst spruce budworm
译名：云杉中的羟基苯乙酮防御云杉蚜虫
期刊：Evolutionary Applications.
IF：5.038（2区）
发表时间：2019.8.19
通讯作者：Geneviève J.Parent
通讯作者单位：加拿大莫里斯拉蒙塔涅研究所
DOI号：https://doi.org/10.1111/eva.12885
1 引言
最近，在白云杉中发现了一种针对云杉蚜虫的化学防御机制，其中涉及羟基苯乙酮的积累，特别是piceol（4-羟基苯乙酮）和pungenol（3,4-二羟基苯乙酮）的积累。羟基苯乙酮糖苷配基及其相关基因的表达被确定为云杉中抗云杉蚜虫的潜在生物标记。piceol和pungenol在云杉属中广泛存在且涉及生物或非生物胁迫反应。
云杉中的羟基苯乙酮防御似乎通过限制害虫脱叶中起作用。加拿大主要木材来源云杉及其重要的害虫云杉蚜虫分布在加拿大落基山脉和大西洋之间（图1）。数千年来，云杉蚜虫与主要的云杉品种和冷杉共同进化（图1）。1950-1993年间，加拿大的云杉蚜虫流行程度达85万平方公里，大大降低了木材产量。
图1 北美云杉和云杉蚜虫的分布。（https://cfs.nrcan.gc.ca/projects/107）（2014年3月30日）
关于云杉的研究有3个主要的假设：（a）叶羟基苯乙酮的释放和积累有助于抵抗云杉蚜虫，并且主要是组成型的；（b）叶羟基苯乙酮的表型变异是由于定量遗传差异并影响适应性；（c）羟基苯乙酮的生物合成显示出发育、时间和空间上的变异性。本文总结了关于这种防御机制的发现，包括互作中树木（第2节）和昆虫（第3节）的研究；同时针对比较云杉蚜虫取食对抗性（R）和易感性（S或非抗性N‐R）云杉转录组的影响提出了新认识（第4节）。进一步讨论了在白云杉和北美其他云杉物种中这种抗性进化的可能轨迹，以及抗性育种的可能应用（第5节）和未来的研究方向（第6节）。
2 树木的防御作用
2.1防御性化合物的生物合成
Piceol和pungenol在云杉对云杉蚜虫的抗性中发挥作用，但其糖苷似乎无效。对R和S云杉中积累的Piceol、pungenol及其糖苷进行分析发现，在R性云杉中积累了Piceol和pungenol，而在S中没有积累，但是其糖苷在R和S中都有积累。基于前期工作，本文概述了涉及3个阶段的生物合成途径（图1的I-III阶段）。
第1阶段涉及烟叶中发现的苯乙酮骨架的形成，第2阶段涉及葡糖基化合物的形成。通常这2个阶段在云杉枝叶中很活跃，其中葡糖基化合物（如Picein）平均达到干物质的10％。云杉中鉴定得到依赖于UDP的糖基转移酶PgUGT5b，体外试验表明该酶催化pungenol形成pungenin。此外，其时空表达谱与叶子发育中的羟基苯乙酮糖苷的积累相关。羟基苯乙酮在云杉中以无活性的糖苷形式积累，并通过糖苷键的裂解而被激活。第3阶段涉及水解糖苷释放糖苷配基。通过分析R和S的云杉转录组发现β-葡萄糖苷酶基因Pgβglu-1的表达水平差异最明显，且与糖苷配基含量的变化相关。重组PgβGLU-1蛋白对picein和pungenin均具有活性，在云杉树中过表达后糖苷配基piceol和pungenol增加，以上均表名其在代谢途径中的重要作用。
2.2具有限制步骤的组成机制
几类植物防御化合物，例如氰基葡萄糖苷和芥子油苷，均以非活性结合物的形式存储，只有当细胞被食草动物破坏时才以生物活性分子的形式释放。这种诱导的活化是由于葡糖苷酶和糖苷的存在于不同个位置。相反，羟基苯乙酮糖苷配基的释放发生在完整的组织中。在具有R表型的云杉个体中，具有生物活性的羟基苯乙酮的积累是组成性的，没有昆虫时，糖苷配基平均达到干重的1％–3％。云杉耐受Piceol和pungenol并控制其释放的机制仍然未知。
2.3遗传性的防御特质
对云杉中羟基苯乙酮防御机制的遗传控制进行分析，结果显示33个全姊妹（Ｓ１）家系的防御性状（即picein、piceol、pungenol和Pgβglu-1表达）的狭义遗传力（h2）估计为中等至较高（0.50-0.60）；而针对21个无性系广义遗传力（H2）略高（0.55-0.70）。亲缘关系分析方法类似，防御性状具有中等至较高的遗传力估计值（picein除外，h2 = 0.27低）。
表1 云杉叶片中羟基苯乙酮生物合成的个体发育
对森林树木中其他防御化合物的研究也显示，防御性次级代谢产物均具有较高的遗传力。许多研究集中于针叶树树皮组织中的萜类化合物的抗性机制在上，其叶的防御机制研究较少。
2.4代谢权衡
权衡定义为特征之间负相关的关系，是由于受宿主植物的生长、防御和繁殖的限制。分析生长性状和抗性性状之间的表型和基因型相关性有助于评估云杉幼体基本生物学过程之间的权衡。在云杉中未观察到糖苷配基羟基苯乙酮或Pgβglu-1 转录本的积累，且成龄树还是幼龄树的表型（包括总树高、胸高断面积直径、年轮宽度）和遗传正相关性较低，表明生长和防御性状之间没有权衡。
仅在无性系测验Picein与生长特性呈负相关，表明基因型效应可能会导致Picein和生长的权衡。Picein在R和S树中以相似的高浓度积累在树叶中，可能由于结合葡萄糖导致限制生长。
2.5羟基苯乙酮随发育和季节的变化
植物防御机制在发育过程中可能会有所不同。为了研究羟基苯乙酮与发育的相关性，本文对相关研究进行总结发现，幼苗、小树和成体云杉之间羟基苯乙酮的生物合成存在差异是由当年叶子中的积累水平决定的，随时间发生变化（表1）。
在云杉发育过程中，观察到了Pgβglu-1转录本和羟基苯乙酮积累存在相反的趋势（表1）。在一年龄的幼苗中检测到Pgβglu-1的转录本，但不会导致piceol和pungenol的积累，这可能是由于缺乏糖基化的羟基苯乙酮所致（表1）。在2岁的树木中检测到Picein和pungenin，并且Picein的浓度从3岁到4岁急剧增加，仅在4岁时才检测到Piceol和pungenol，从6岁直到50岁可以检测到糖基化和糖苷配基形式的羟基苯乙酮（表1）。4岁树中Piceol和pungenol浓度的突然增加可能与云杉蚜虫造成损害增加有关。云杉蚜虫对幼苗的影响要小于成体云杉，但是，云杉蚜虫首次攻击云杉时间尚不清楚。这种防御机制中的个体发育差异可能是由于资源分配的差异和结构发育中的限制。
成体云杉一年生叶从展叶到延长，羟基苯乙酮和Pgβglu-1的表达存在很大差异。在生长季节早期，Pgβglu-1转录本和羟基苯乙酮的水平较低。R和S云杉中的Pgβglu-1转录本在6月份开始增加，但R树中的Pgβglu-1转录本比S树早达到峰值且更多。R云杉中的piceol和pungenol浓度遵循相似的模式，且浓度高于S云杉。9月后在R云杉中叶的piceol和pungenol的含量一直较高并持续到第二年春天（至少到5月）。生长季结束时羟基苯乙酮水平与5月份采集的前一年叶子（即2岁）的水平相似。
2.6推测与云杉对云杉蚜虫抗性有关的其他基因
对羟基苯乙酮和Pgβglu-1表达水平变异的遗传基础进行分析发现表型变异的相关基因中存在4,767个SNP位点。鉴定出的33个基因中包括几种碳水化合物代谢酶（即木糖葡聚糖内切葡糖苷酶/水解酶8、糖转运蛋白7、UDP-D-葡萄糖醛酸4-表异构酶1和UDP-D-葡萄糖醛酸4-表异构酶4）、谷氨酰胺合成酶、假定的调节蛋白包括SOG1（γ应答的抑制剂1）、调节DNA损伤应答的NAC转录因子以及涉及对不同刺激和压力应答的基因（即抗坏血酸过氧化物酶、谷胱甘肽S-转移酶和苯基香豆素苄醚还原酶1）。此外，并没有发现Pgβglu-1基因与R或S表型相关的遗传变异，推测Pgβglu-1的表达水平可能由反式作用元件调控（例如上游调控序列的变异）。
2.7其他针叶树中的羟基苯乙酮
云杉中描述的羟基苯乙酮的生物合成（图2）似乎是保守的。在美国东北部受云杉蚜虫影响的云杉物种中（图1），云杉具有芽萌发与伸长和云杉蚜虫发育之间的最佳同步性，并且都具有羟基苯乙酮防御化合物。相比之下，黑云杉和红云杉叶子中仅含有piceol而不包含羟基苯乙酮，并且与云杉蚜虫的发育不同步，这可能是其落叶减少的主要原因。另一项分析表明，云杉蚜虫对黑云杉和红云杉的破坏水平与其羟基苯乙酮的积累相关。云杉蚜虫可能对物种适应性有直接影响，因此，羟基苯乙酮的积累也可能至关重要。
3 杀虫效果
本节综述羟基苯乙酮对云杉蚜虫消化、发育和从第二龄到成年存活的影响。
3.1羟基苯乙酮对云杉蚜虫的影响
Piceol和pungenol可能在云杉防御云杉蚜虫方面具有活性，导致云杉蚜虫的蛹质量降低、发育持续时间延长，幼虫存活率降低，雌性和雄性幼虫具有不同的敏感程度，但糖基化的pungenin对云杉蚜虫没有影响。同时表明羟基苯乙酮的毒性似乎通过两种化合物的累加效应或协同相互作用而放大。云杉蚜虫摄入后的解毒酶谷胱甘肽S-转移酶的上调。但研究中使用的羟基苯乙酮浓度较低，可能导致对云杉蚜虫的影响导致较少。
3.2R和S成年树对云杉蚜虫的影响
比较了成熟的云杉R和S树上云杉蚜虫的发育和存活情况发现，R树中雌性云杉蚜虫进入蛹的发育较慢，但未观察到对雄性云杉蚜虫的质量或成活的影响。
2014年，piceol和pungenol的浓度仅在抗性树种中增加，并在云杉蚜虫的第六龄期开始增加。如果昆虫发育较早，则抗药性机制可能无效，并且对云杉蚜虫的易感性的物候窗[W用1] 可能会变宽。
3.3成年树对云杉蚜虫抗性的物候窗
昆虫和植物的共生关系可能决定了云杉对云杉蚜虫的敏感性。通过云杉蚜虫的发育进行了不匹配（即Piceol和pungenol浓度为零或很低）和匹配（即高浓度的Piceol和pungenol）的测试。在不匹配试验中，大部分云杉蚜虫发育过程中的Piceol和pungenol浓度较低，而在饲养的最后一个采样时间点则较高，结果显示没有任何影响。在匹配试验中，在云杉蚜虫的整个发育过程中两种化合物的浓度都很高，结果显示雌性的蛹质量较低（表2）。羟基苯乙酮对云杉蚜虫的影响似乎有限；然而由于幼虫在没有羟基苯乙酮的条件下发育导致很可能低估了它们的作用。幼虫必须以去年的叶子为食才能在自然条件下生长，其中可能含有大量的羟基苯乙酮。因此，暴露于Piceol和pungenol的持续时间会影响云杉蚜虫的生长及抗药性。不匹配的和相匹配饲养试验之间的生存差异，与云杉展叶期叶片营养质量迅速下降的观察结果一致。
4 树和昆虫相互作用对树转录的影响
植物具有组成型和诱导型防御。组成性防御提供基础抗性，而诱导型防御则保证没有昆虫食草的情况下节约资源。
利用转录组分析发现仅在云杉蚜虫饲喂的R树中诱导了糖苷配基羟基苯乙酮的积累（图3a至d）。与对照相比，在由云杉蚜虫落叶的R树叶中Piceol和pungenol浓度分别增加了23％和69％（图3c，d）。相比之下，R和S树的处理叶和对照叶之间的Pgβglu-1转录物水平相似。
在云杉成熟嫁接的当年叶子中诱导羟基苯乙酮防御。Piceol和pungenol在处理和和耐药性之间存在显著的相关性。（e）是云杉蚜虫导致的云杉中差异表达的基因。有5种高（941240、941290：抗药性，深绿色）或低水平的羟基苯乙酮苷元（941227、941239、941311：易感，浅绿色）的基因型，共有215个基因差异表达（图3e），注释后得到较多基因与胁迫相关（包括伤口、细胞壁的生物合成以及萜烯合成），与次级代谢产物和苯丙烷类生物合成有关的基因也高表达。
与对照组相比，聚类1和2的基因转录水平降低，聚类3、4、5和6为经云杉蚜虫处理的叶中表达增加的基因（图3e）。与次级细胞壁生物合成相关的基因位于第4类，而与次级代谢物生物合成相关的基因主要在第5和6类中。簇5中的6个基因在云杉蚜虫处理的R基因型的叶片中表达增加，其基因注释与萜烯或苯丙烷合成相关（表3）。Pgβglu-1位于簇5中（PG_011735_T.1；表3），并且在各个样本中的转录本积累平均水平最高。
结果表明，只有R树羟基乙苯酮的生物合成增加，来自簇5的涉及萜类和其他酚类化合物合成的基因仅在R树中被上调。同时，相同的防御化合物在给定的植物物种中可能是组成型和诱导型的，被识别为组成型产生羟基苯乙酮的个体也可以在诱导后产生更多。
5 羟基苯乙酮防御的演变与人为选择
5.1自然进化
本节概述了糖苷配基羟基苯乙酮对云杉生命周期及其分布的适应性的影响。羟基苯乙酮对松科物种适应性具有负面和正面影响（图4a），整合后得到加拿大东部云杉防御机制演变的综合假设（图4b）。
糖苷配基羟基苯乙酮通过保护因暴露于云杉蚜虫爆发和寒冷的环境而导致的后代存活率，可能导致对自然种群中的适应性的影响。在发育的早期，由于来自树叶浸出液中的pungenol而引起的化感作用降低了云杉种子发芽，对健康具有负面影响（图4a）。在低纬度地区，环境温度通常较高，含有高浓度糖苷配基羟基苯乙酮的树木的后代存活率低，适应性较低（图4b）。到成熟时，内源积累高浓度的piceol和pungenol抵抗云杉蚜虫，从而可能导致改善云杉的适应性（图4b）。据报道，云杉中的羟基苯乙酮浓度也随纬度增加而增加，表明在高纬度地区，Piceol和pungenol可能会增加生存率（图4a）。因此，北部R树可能更常见（图4b）。
综合图（图4b）反映了整个云杉东部分布中存在R树的地理变化。在过去几百年或几千年中，云杉蚜虫明显的纬度温度梯度和反复选择压力很可能是由于自然种群中R树比例的纬度变化所致。有人假设，云杉相对适应度的变化可能会避免树木种群中一种表型的固定。昆虫可以对可遗传的植物防御性状产生逆适应。例如，云杉蚜虫可以通过上调GST来部分消除植物的羟基苯乙酮产生响应。这种逆适应可能会挑战植物的生存。当仅存在R表型时，在农业害虫管理计划中经常观察到昆虫的逆适应。在天然林中，这种情况不太可能发生；但是在人工林中，逆适应的可能性可能会增加，这表明在人工林中部署应考虑将抗感品种的树木混合以减少逆适应。
自20世纪初以来已经观察到云杉蚜虫分布向北移动。云杉对云杉蚜虫抗性的地理差异使研究者可以预测，由于叶羟基苯乙酮的含量较高，北欧分布地区的云杉可能更好地抵抗云杉蚜虫的威胁。云杉可以抵御云杉蚜虫的其他生化防御，但最近的研究表明，当芽物候与云杉蚜虫的发育相匹配时，它是优质的寄主。进一步研究云杉蚜虫生物标记抗性的地理模式可能有助于预测其对种群的影响。
5.2人工选择和抗性育种
林木育种利用自然发生的表型变异性，通过反复进行遗传选择、异花授粉以及通过种子或无性繁殖来得到商业化的种质。图4c为提高云杉中组成型羟基苯乙酮水平（包括短期和长期应用）的云杉蚜虫抗性育种的各种策略。
6 未来研究方向
目前，研究云杉对云杉蚜虫的抗性中羟基苯乙酮的作用方面已经取得了相当大的进展。这种防御机制背后的生物合成基因的鉴定和表征是非模式树种中功能遗传学的例子。虽然已经确定了羟基苯乙酮生物合成中的2个关键基因，但其调控机制尚未可知，可能包括顺式、反式、表观遗传和转录后调控。另外，没有研究报道细胞区室化在羟基苯乙酮糖苷和糖苷配基的积累和/或释放中的作用。更好地了解基因调控和细胞区室化对于将PgBGLU1用作育种标记物很重要。
评论
加拿大云杉能够有效的防御云杉蚜虫，是因为其体内产生了羟基苯乙酮类次级代谢物。本文从分子及生化等方面对其产生的遗传机制进行了综述，重点分析了不同抗性的云杉的差异。同时本文从害虫与宿主的多样性及进化机制方面，阐述了这种防御机制用于育种的可能性及未来研究重点。
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