葉甲巧用色氨酸，破解楊樹(shù)“化學(xué)防御盾”

昆明市林草局專業(yè)號(hào) 2025/12/18 14:39:20

https://mp.weixin.qq.com/s/4krYwIhfT8kfmPyqY5W3fg

原創(chuàng) 彭惺蓉 中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所

植食性昆蟲(chóng)與其寄主植物是地球上物種最豐富的生物類群。據(jù)推測(cè)，它們非凡的多樣性源于兩者之間的拮抗協(xié)同進(jìn)化——防御與反防御的相互較量驅(qū)動(dòng)了多樣化進(jìn)程。植物的主要化學(xué)防御依賴于一系列天然產(chǎn)物，包括萜類化合物、酚類化合物、含氮化合物以及含硫化合物。根據(jù)最優(yōu)防御理論，植物通過(guò)將這些防御性代謝物集中在對(duì)其生存和繁殖至關(guān)重要的組織中，從而提升適應(yīng)度。作為回應(yīng)，植食性昆蟲(chóng)進(jìn)化出了多樣的抗性機(jī)制，例如行為上避開(kāi)毒素、改變作用靶點(diǎn)、進(jìn)行解毒代謝以及快速排泄等，以促進(jìn)其在化學(xué)防御植物上的生長(zhǎng)與發(fā)育。部分植食昆蟲(chóng)擁有特定的腸道共生微生物，這些微生物能夠通過(guò)降解此類化學(xué)物質(zhì)，幫助昆蟲(chóng)抵抗植物毒素和殺蟲(chóng)劑。

黑楊（Populus nigra L.）是許多歐洲國(guó)家具有重要經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價(jià)值的樹(shù)種。它含有豐富的酚類代謝產(chǎn)物，其中最主要的是原花青素、羥基肉桂酸酯和水楊苷類化合物（酚類糖苷）。水楊苷類化合物在黑楊葉片中含量很高，其濃度可達(dá)葉片干重的15%以上。然而，許多楊樹(shù)植食性昆蟲(chóng)，如專食楊樹(shù)的葉甲——楊葉甲（Chrysomela tremulae），卻偏好取食水楊苷類化合物濃度達(dá)到峰值的幼嫩葉片。這種行為特化表明它們具備有效代謝這些防御化合物的能力，這也給黑楊人工林造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失。

為揭示其背后的機(jī)制，中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所植物化學(xué)與天然藥物全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭惺蓉副研究員與德國(guó)馬普化學(xué)生態(tài)所團(tuán)隊(duì)合作，以楊葉甲為模型系統(tǒng)，采用同位素標(biāo)記結(jié)合靶向/非靶向LC-MS代謝組學(xué)，并輔以結(jié)構(gòu)表征的方法，追蹤并確證salicortin的代謝途徑。在此過(guò)程中，首次發(fā)現(xiàn)了楊葉甲能夠利用必需氨基酸色氨酸及其分解產(chǎn)物（包括犬尿氨酸、犬尿酸和4-羥基喹啉）與水楊苷代謝物水楊醇形成新型結(jié)合物，最終通過(guò)蟲(chóng)糞排出體外。水楊醇及其結(jié)合物對(duì)楊葉甲無(wú)毒害作用，類似代謝途徑在其他楊樹(shù)食草昆蟲(chóng)中也得到證實(shí)。尤其是在親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的楊樹(shù)植食昆蟲(chóng)Laothoe populi和 Saperda carcharias體內(nèi)檢測(cè)到結(jié)合物，這表明了色氨酸輔助解毒機(jī)制的趨同進(jìn)化。而鞘翅目的Saperda carcharias與鱗翅目的Laothoe populi在進(jìn)化上已分離超過(guò)3億年，這一發(fā)現(xiàn)表明，這一代謝性狀是獨(dú)立起源的。

進(jìn)一步的腸道微生物實(shí)驗(yàn)分析表明，色氨酸代謝物-水楊醇結(jié)合物的形成不依賴腸道微生物，表明楊葉甲體內(nèi)的酶可能參與了結(jié)合物的形成。因此，該研究說(shuō)明植食昆蟲(chóng)產(chǎn)生此類物質(zhì)可能是其適應(yīng)高水楊苷防御化合物飲食的關(guān)鍵策略，這一發(fā)現(xiàn)也為研發(fā)靶向抗蟲(chóng)劑以保護(hù)柳科植物提供了新思路。

該工作以Leaf beetles employ tryptophan to detoxify the chemical defenses of poplar trees為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊PNAS上。中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所邱明華研究員團(tuán)隊(duì)彭惺蓉副研究員為論文第一及通訊作者，德國(guó)基爾大學(xué)的Sybille B. Unsicker為共同通訊作者，德國(guó)馬普化學(xué)生態(tài)所Jonathan Gershenzon教授、Martin Kaltenpoth教授、Michael Reichelt工程師和Ana Patricia Ba?os-Quintana博士參與了該項(xiàng)工作。上述研究工作得到了云南省科技廳基礎(chǔ)研究面上項(xiàng)目（No.202301AT070332）、云南省“興滇英才計(jì)劃”青年項(xiàng)目和國(guó)家留學(xué)基金項(xiàng)目的資助。

點(diǎn)擊“閱讀原文”查看文章鏈接。

文：彭惺蓉