DOI: 10.12357/cjea.20220808
陈升, 吴鑫雨, 何建杨, 周懂, 刘振洋, 汤利, 郑毅, 肖靖秀. 单间作小麦响应白粉病菌侵染的差异代谢物及代谢通路[J].
中国生态农业学报 (中英文), 2023, 31(6): 904?916
CHEN S, WU X Y, HE J Y, ZHOU D, LIU Z Y, TANG L, ZHENG Y, XIAO J X. Analysis of differential metabolites and metabolic
pathways of mono- and inter-cropped wheat in response to Blumeria graminis f. sp. tritici infection[J]. Chinese Journal of Eco-Agri-
culture, 2023, 31(6): 904?916
单间作小麦响应白粉病菌侵染的差异代谢物及代谢
通路
陈 升1, 吴鑫雨1, 何建杨1, 周 懂1, 刘振洋1, 汤 利1, 郑 毅1,2, 肖靖秀1
(1. 云南农业大学资源与环境学院 昆明 650201; 2. 云南开放大学 昆明 650233)
摘 要: 为了解单作、间作小麦响应白粉病侵染的代谢差异, 揭示间作提高小麦抗白粉病的生理机制, 本文通过盆
栽试验设置 75 mg?kg?1 (N1)、150 mg?kg?1 (N2)、225 mg?kg?1 (N3) 3个施氮水平, 研究接种白粉病病原菌后, 小麦单
一种植和小麦蚕豆间作下白粉病的发病情况, 并通过广泛靶向代谢组学分析单作、间作小麦响应白粉病菌侵染的
差异。结果表明: 氮水平和氮水平×种植模式显著影响小麦白粉病发病率和病情指数; 在3个氮水平下, 间作降低白
粉病发病率25.54%~38.81%、降低病情指数20.11%~21.97%, 其中低氮水平控制效果较好。白粉病菌侵染后, 单作、
间作小麦叶片中共检测到822种代谢产物, N1、N2和N3水平下分别发现差异代谢物69种、52种和88种。
KEGG代谢通路分析发现单间作小麦差异代谢物主要富集在氨基酸的生物合成、代谢途径和次生代谢物的生物合
成。其中N1和N2水平下, 差异代谢物富集在代谢途径, N1和N3水平下差异代谢物富集于氨基酸的生物合成。
进一步对上调、下调差异倍数前10的代谢物分析发现, 与单作相比, N1水平间作上调了谷胱甘肽还原型、L-色氨
酸、L-天冬酰胺和L-谷氨酰胺, N3水平间作上调了L-天冬酰胺、L-高甲硫氨酸和L-色氨酸。除此之外, 少数生物
碱类、酚酸类和有机酸类等代谢物质在氮胁迫下也呈现不同程度的变化。总之, 单作和间作小麦响应白粉病病菌
侵染的应答过程受氮水平调控。在白粉病病菌侵染中, 间作调控差异代谢物如氨基酸及其衍生物类、生物碱类、
酚酸类和有机酸类等在植物体内的变化, 可能是间作提高小麦白粉病抗性的机制之一。其中, 氮胁迫条件下间作调
控氨基酸及其衍生物与小麦白粉病抗性提高密切相关。
关键词: 小麦蚕豆间作; 小麦白粉病; 氮水平; 差异代谢物
中图分类号: S512.1开放科学码(资源服务)标识码(OSID):
Analysis of differential metabolites and metabolic pathways of mono- and inter-
cropped wheat in response to Blumeria graminis f. sp. tritici infection
CHEN Sheng1, WU Xinyu1, HE Jianyang1, ZHOU Dong1, LIU Zhenyang1, TANG Li1, ZHENG Yi1,2,
XIAO Jingxiu1
(1. College of Resources and Environment, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China; 2. Yunnan Open University, Kunming
650233, China)
国家自然科学基金项目(32060718, 31760611)和云南省高层次人才培养支持计划“青年拔尖人才”项目(YNWR-QNBJ-2019-130)资助
通信作者: 肖靖秀, 主要研究方向为间套作体系养分资源高效利用。E-mail: xiaojingxiuxjx@126.com
陈升, 主要研究方向为植物营养与病害控制。E-mail: 1135107134@qq.com
收稿日期: 2022-10-18 接受日期: 2023-01-11
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (32060718, 31760611) and the High-level Talents Plan Young & Elite
Talents Project of Yunnan Province (YNWR-QNBJ-2019-130).
Corresponding author, E-mail: xiaojingxiuxjx@126.com
Received Oct. 18, 2022; accepted Jan. 11, 2023
中国生态农业学报 (中英文) ?2023年6月 ?第?31?卷 ?第?6?期
Chinese?Journal?of?Eco-Agriculture,?Jun.?2023,?31(6):?904?916
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Abstract: Wheat and faba bean intercropping can alleviate the occurrence and severity of wheat powdery mildew. However, the
physiological mechanism of intercropping improving wheat disease resistance remains unclear. This study aimed to understand the
metabolic differences between mono- and inter-cropped wheat in response to Blumeria graminis f. sp. tritici infection and reveal the
physiological mechanism of intercropping for improving wheat resistance to powdery mildew. In this study, the following three nitro-
gen (N) application levels were established: 75 mg·kg?1 (N1), 150 mg·kg?1 (N2), and 225 mg·kg?1 (N3). Following inoculation with B.
graminis f. sp. tritici, the occurrence of powdery mildew in mono- and inter-cropped wheat was investigated, and the metabolomics of
mono- and inter-cropped wheat in response to infection with B. graminis f. sp. tritici were analyzed by UPLC-MS/MS, using a widely
targeted metabolomic method. The results showed that N levels and N levels × planting patterns significantly affected the incidence
and disease indices of powdery mildew in wheat. Under all three N levels, wheat intercropping with faba bean reduced the incidence
of wheat powdery mildew by 25.54%–38.81% and decreased the disease index by 20.11%–21.97% relative to mono-cropped wheat
(MW), and the intercropping control effect under the N1 level was better than that under N2 and N3 conditions. A total of 822 differ-
ential metabolites were detected in the mono- and inter-cropped wheat leaves, of which 69, 52, and 88 were detected at the N1, N2,
and N3 levels, respectively. Intercropping of wheat and faba bean regulated flavonoids, alkaloids, amino acids and derivatives, and
phenolic acids in wheat leaves compared to MW. Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes pathway enrichment analysis of differ-
ential metabolites showed that they were mainly enriched in the biosynthesis of amino acids, metabolic pathways, and secondary
metabolites. Among them, metabolites with significant differences were enriched in metabolic pathways at the N1 and N2 levels, and
metabolites with significant differences were enriched in amino acid biosynthesis under N stress conditions (N1 and N3). Further ana-
lysis of the metabolites from the top 10 up- and down-regulated genes revealed that intercropping upregulated glutathione (G-SH), L-
tryptophan, L-asparagine, and L-glutamine in wheat leaves at the N1 level relative to MW, and upregulated L-asparagine, L-homome-
thionine, and L-tryptophan in intercropped wheat leaves at the N3 level relative to MW. In addition, a few metabolites, including al-
kaloids, phenolic acids, and organic acids, in wheat leaves were regulated by intercropping compared with MW under the N1 and N3
levels. In conclusion, the response of wheat to powdery mildew infection was regulated by N levels. Metabolites involving amino
acids and derivatives, alkaloids, phenolic acids, and organic acids in wheat leaves are regulated by intercropping during B. graminis f.
sp. tritici infection and induce different physiological reactions, possibly being one of the mechanisms by which intercropping im-
proves wheat powdery mildew resistance. Intercrop-regulated amino acids and their derivatives under N stress are closely associated
with wheat powdery mildew resistance. The present study identified the different responses of mono- and inter-cropped wheat to dis-
ease infection via metabolic analysis, facilitating a comprehensive understanding of crop diversity for the management of pests and
diseases.
Keywords: Wheat and faba bean intercropping; Wheat powdery mildew; Nitrogen level; Differential metabolites
小麦(Triticum aestivum L.)是世界上重要的粮食
作物。小麦白粉病(Blumeria graminis f. sp. tritici)是
直接影响小麦减产的真菌性病害; 在我国小麦种植
区, 白粉病通常会造成10%~50%的产量损失[1-3]。氮
(N)是植物重要的矿质营养元素, 直接影响小麦白粉
病的发生及病害的严重程度[4-5]。前人从氮素调控群
体结构、改变植物生理生化过程等系统解析了氮介
导小麦白粉病发生的机制[6-7]。当氮素供应过多时,
小麦群体结构增大、细胞壁木质素合成减少、质外
体和叶表面的氨基酸及酰胺浓度增加、酚类物质合
成减少, 植株抗病性下降、病菌侵染和繁衍增加[6]。
氮素调控小麦抗性的分子和生理机制尚需深入研究。
代谢组学是研究植物应对外界刺激反应的一种
方法[8], 它可以通过对生物体的组织、细胞、甚至整
个生物体的分析得到不同的代谢组学特征[9], 可以作
为有效的工具识别宿主对生物胁迫的生化反应和病
原体代谢途径[10]。前人利用代谢组学方法从代谢物
种类差异的角度揭示了小麦抗赤霉病[11]和条锈病[12]
的分子机制。但目前利用代谢组学方法解析氮调控
小麦白粉病抗性的生理代谢机制还鲜有报道。
间作在我国传统农业和现代农业中均发挥着重
要作用, 能维持农田生态系统稳定性, 控制作物病害
的发生, 是国内外研究的热点[13]。小麦蚕豆(Vicia
faba L.)间作是许多国家和地区广泛采用的间作模
式[14], 具有增产、控病优势[15-16]。Luo等[3]发现小麦
蚕豆间作改变田间冠层小气候, 降低了小麦白粉病
的发生, 同时, 小麦和蚕豆种间互作调控小麦植株体
内的氮含量及氮的累积、分配也是间作降低白粉病
发生的机制之一[6,17]。显然, 间作调控小麦植株氮含
量、累积及分配, 必然导致相关代谢物的差异。但
是, 现有的研究尚鲜从间作调控小麦代谢物的角度
分析间作降低小麦白粉病发生的机制; 此外, 小麦差
异代谢产物-氮水平-小麦白粉病的关系也并不清楚。
因此本文通过盆栽试验, 在小麦白粉病菌侵染的条
件下, 利用代谢组学分析不同氮水平下单作、间作
小麦的差异代谢物, 试图解析不同氮水平下间作调
第 6 期 陈 升等 : 单间作小麦响应白粉病菌侵染的差异代谢物及代谢通路 905
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控小麦-白粉病菌互作提高小麦抗白粉病生理代谢机
制, 研究可为深入理解多样性种植降低小麦白粉病
的发生提供理论支撑。
1 材料与方法
1.1 试验地点和供试材料
试验在云南农业大学植物营养系实验室内进行,
光照时间为12 h, 避光时间为12 h, 光照强度3000 lx。
试验期间温度保持在18~21 ℃, 湿度55%~70%。盆
栽试验供试土壤采自云南农业大学后山试验农场,
为旱地红壤, 土壤基本理化性状: 有机质26.46 g?kg?1,
全氮1.89 g?kg?1, 碱解氮92 g?kg?1, 速效磷16 g?kg?1, 速
效 钾 116 g?kg?1, pH 5.7。 供 试 肥 料 为 尿 素 (含 N
46.0%)、 普 通 过 磷 酸 钙(含P2O5 16.0%)和 硫 酸 钾
(含K2O 50.0%)。
试验供试小麦品种为易感小麦白粉病的‘扬麦
15’, 由江苏省农业科学院提供; 供试蚕豆品种为‘玉
溪大粒豆’。试验所用的小麦白粉病菌为混合型白粉
病菌, 来自四川广泛流行的白粉病菌株, 由四川省农
业科学院提供; 在恒温恒湿培养箱(温度18 ℃, 湿度
60%)中连续种植小麦, 在小麦三叶期进行菌种扩繁,
供后续接种使用。
1.2 试验设计与管理
试验设计为双因素设计, A因素为种植模式: 小
麦蚕豆间作(wheat-faba bean intercropping, IW), 小麦
单作(monocropped wheat, MW); B因素为施氮水平:
施 氮 量 分 别 为75 mg?kg?1 (N1)、150 mg?kg?1 (N2)、
225 mg?kg?1 (N3)。共6个处理, 每个处理重复3次。
所有处理中, 小麦和蚕豆的磷(P2O5) (过磷酸钙, 含
P2O5 16.0%)、钾(K2O)肥(硫酸钾, 含K2O 50.0%)施
用量均为100 mg?kg?1。
盆栽试验使用230 mm×130 mm的塑料花盆。单
作小麦每盆6株, 分2行排列, 行距10 cm, 株距5 cm;
小麦蚕豆间作中小麦、蚕豆各种1行, 行距10 cm,
小 麦 株 距5 cm, 每 盆3株, 蚕 豆 株 距10 cm, 每 盆
2株。
盆栽试验开始前挑选颗粒饱满、大小均匀且无
病虫害的小麦、蚕豆种子避光催芽3 d。试验前每
盆称1.5 kg干土, 倒入各处理称好的肥料, 拌匀后转
入试验花盆中, 之后将花盆随机摆放在培养架上; 每
两天浇一次水, 每次每盆浇水200 mL。
1.3 病菌接种与病害调查
挑选恒温恒湿培养箱中前期培养的长势相同的
感病小麦, 取布满白粉病病斑的叶片中段5 cm, 每3
株试验小麦用一段感病叶片来摩擦接种。为保证分
生孢子活性, 剪一段接种一次, 逐盆快速接种。
在白粉病接种的第3~10天, 根据《小麦白粉病
测报调查规范》的8级严重度分级标准[18], 对小麦发
生病害情况进行调查。根据病叶上病斑菌丝层覆盖
叶片面积占叶片总面积的比率分为8级, 分别对应
1%、5%、10%、20%、40%、60%、80%和100%。
计算公式如下:
发病率=发病叶片总数=调查叶片总数 100% (1)
病情指数=
∑
(各级病叶数 各级代表值)
100%=调查叶片总数 最高级代表值(2)
1.4 小麦样品采集
在小麦白粉菌接种72 h时采集新鲜叶片, 每个
处理3个生物学重复, 采集的叶片混匀后装入冻存
管中, 立即存放在?80 ℃低温冰箱中冻存, 用于进一
步的广泛靶向代谢组测定。
1.5 样品提取与分离
先将小麦叶片放置于冻干机(Scientz-100F)中真
空 冷 冻 干 燥; 利 用 研 磨 仪(MM 400, Retsch)研 磨
(30 Hz, 1.5 min)至粉末状; 称取100 mg的粉末, 溶解
于0.6 mL 70%甲醇提取液中; 溶解后的小麦样品于
4 ℃冰箱过夜, 期间涡旋6次, 提高提取率; 离心(转
速10 000 g, 10 min)后, 吸取上清, 用微孔滤膜(0.22 μm
pore size)过滤样品, 并保存于进样瓶中, 用于UPLC-
MS/MS分析。
数据采集仪器系统主要包括超高效液相色谱
(Ultra Performance Liquid Chromatography, UPLC)
(SHIMADZU Nexera X2, https://www.shimadzu.com.
cn/)和串联质谱(Tandem mass spectrometry, MS/MS)
(Applied Biosystems 4500 QTRAP, http://www.applied-
biosystems.com.cn/)。液相条件主要包括色谱柱: Agi-
lent SB-C18 1.8 μm, 2.1 mm×100 mm; 流动相: A相为
超纯水(加入0.1%的甲酸), B相为乙腈(加入0.1%
的甲酸); 洗脱梯度: 0.00 min B相比例为5%, 9.00 min
内B相比例线性增加到95%, 并维持在95% 1 min,
10.00~11.10 min, B相比例降为5%, 并以5%平衡至
14 min; 流速0.35 mL?min?1; 柱温40 ℃; 进样量4 μL。
质谱条件主要包括电喷雾离子源(electrospray ioniza-
tion, ESI)温 度550 ℃, 质 谱 电 压5500 V (正 模 式)/
?4500 V (负模式), 帘气(curtain gas, CUR) 25 psi, 碰
撞 诱 导 电 离(collision-activated dissociation, CAD)参
数设置为高。在三重四级杆(QQQ)中, 每个离子对
根据优化的去簇电压(declustering potential, DP)和碰
906 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷
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撞能(collision energy, CE)进行扫描检测。
1.6 数据分析
使用SPSS 26.0软件比较单间作小麦在不同氮
水平下白粉病菌侵染情况, 进行独立性T检验、两
因素方差分析, 使用Origin 2021、Excel 2016进行数
据 处 理 、 绘 图 。 主 成 分 分 析(Principal Component
Analysis, PCA)用R软 件 的 内 置 统 计pccomp函 数,
设置pccomp函数参数scale=Ture, 表示对数据进行
unit variance sacling (UV)归一化。OPLS-DA在原始
数据进行log2转换后进行中心化处理, 然后利用R
软件中的MetaboAnalystR包OPLSR.Anal函数进行
分析, 继而进行建模分析。差异代谢物筛选标准: 选
取差异倍数值(fold change)≥2和fold change≤0.5的
代谢物。代谢物在对照组和试验组中差异为2倍以
上或0.5以下, 则认为差异显著。通过KEGG Path-
way得 到 差 异 代 谢 物 中 重 要 的 代 谢 通 路 。 利 用
KEGG数据库对差异显著代谢物的注释结果进行分
类和通路富集。
2 结果与分析
2.1 小麦蚕豆间作对小麦白粉病发病率和严重度的
影响
在本试验条件下, 小麦白粉病菌接种3 d后出现
发病症状。由表1可知, 白粉病发病率和病情指数
主要受氮水平和氮水平×种植模式的影响。由图1
可知, 在发病初期(接种后3~4 d), 单作、间作发病率
和病情指数均无差异。随着侵染时间的延长, 单间
作模式下小麦白粉病在N1、N2、N3水平的发病率
和病情指数均表现为上升趋势。N1水平下, 在接种
后的第5天, 间作显著降低了白粉病发病率38.81%;
N2水平下, 在病原菌接种第6 天, 间作显著降低发病
率35.66%; N3水平下, 在病原菌接种后5~7 d, 间作
显著降低发病率25.54%。同样的, N1和N2水平下,
在接种后第6~9 天, 间作显著降低白粉病病情指数
21.97%和21.17%; N3水平下, 在接种后第5~6 天, 间
作显著降低白粉病病情指数20.11%。综合来看, 低
氮水平下间作对白粉病的控制较好。
2.2 单间作小麦差异代谢物的初步分析
PCA是一种无监督模式识别的多维数据统计分
析方法的多元统计分析, 研究组间代谢物差异变化
情况。对单作、间作小麦差异代谢物进行了主成分
分析(图2), N1、N2和N3水平下, 单作和间作小麦
样品在主成分PC1分离分别达44.42%、31.15%和
41.57%, PC2分 别 达 22.29%、 25.85%和 17.42%,
PC1和PC2的 模 型 分 别 解 释 了 总 方 差 的66.71%、
57.00%和58.99%, 结果表明氮水平和单作、间作两
个处理之间明显分离, 达到了相对满意的预测结果。
2.3 单间作小麦差异代谢物的OPLS-DA分析
OPLS-DA是一种有监督的正交偏最小二乘判别
分析方法, 过滤了不相关的正交信号, 所获得的差异
代谢物更加可靠。R2X、R2Y分别表示所建模型对X
和Y矩阵的解释率, Q2表示模型的预测能力[19]。对
不同氮水平小麦单作、间作的叶片代谢物经OPLS-
DA得分分析(图3A、B、C), 可以看出氮水平和单
作、间作存在得分差距, 表明两个处理间的代谢产
物存在差异。N1模型的评价参数R2X、R2Y和Q2分
别为0.655、0.992和0.728, N2分别为0.543、0.997
和0.767, N3分别为0.583、1和0.846。其中, Q2>0.5
表示模型拟合有效。本模型对数据进行200次随机
排列组合试验(图3D、E、F), N1、N2中Q2的P=0.11,
N3的 P<0.005; N1、N2和N3中 的 R2Y均 P<0.005,
表明本OPLS-DA模型效果良好, 可为后续的数据分
析提供支持。
2.4 单间作小麦叶片差异代谢物筛选及分析
通过UPLC-MS/MS检测, 病菌侵染的小麦叶片
共检测到822种代谢产物(表2), 分为11大类: 黄酮、
表 1 不同发病时期的氮水平、种植模式和氮水平×种植模
式对小麦白粉病发病率和病情指数的影响
Table 1 Effects of nitrogen level, planting pattern and nitro-
gen level × planting pattern on incidence and disease
index of wheat powder mildew in different disease
periods
接种后天数
Days after
inoculation (d)
相关项
Related item
氮水平
N level
(N)
种植模式
Cropping pattern
(C)
N×C
3 DI ns nsDSI ns
4 DI ns ns nsDSI ns ns
5 DI DSI ns
6 DI ns DSI ns
7 DI DSI ns
8 DI ns DSI ns
9 DI DSI ns
10 DI ns DSI ns ns ns
: P<0.05; : P<0.01; : P<0.001; ns: 不显著。DI: 发病率; DSI:
病情指数。: P<0.05; : P<0.01; : P<0.001; ns: not significant. DI:
incidence rate; DSI: disease index.
第 6 期 陈 升等 : 单间作小麦响应白粉病菌侵染的差异代谢物及代谢通路 907
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萜类、有机酸、生物碱、氨基酸及其衍生物、酚酸、
木脂素和香豆素、脂质、核苷酸及其衍生物、鞣质
以及其他类(维生素、糖及醇类等)。
从表2可以看出, 单作、间作小麦在低氮(N1)
条件下共检测到69种显著差异代谢物, 其中上调的
差异代谢物主要为生物碱(21种)、氨基酸及其衍生
物(14种)、 核 苷 酸 及 其 衍 生 物(5种)和 有 机 酸
(3种)等, 下调的差异代谢物主要为有机酸(5种)、
核 苷 酸 及 其 衍 生 物 (5种 )、 酚 酸 (3种 )和 脂 质
(2种)等。正常施氮(N2)条件下共检测到52种显著
差 异 代 谢 物, 其 中 上 调 的 差 异 代 谢 物 主 要 为 黄 酮
(5种)、生物碱(3种)、氨基酸及其衍生物(1种)等,
下调的差异代谢物主要为核苷酸及其衍生物(15种)、
酚 酸(7种)、 有 机 酸(5种)和 氨 基 酸 及 其 衍 生 物
(5种)等。高氮(N3)条件下共检测到88种显著差异
代谢物, 其中上调的差异代谢物主要为氨基酸及其
衍生物(11种)、生物碱(10种)、有机酸(5种)等,
下 调 的 差 异 代 谢 物 主 要 为 酚 酸(21种)、 生 物 碱
(10种)、黄酮(9种)等。
不同施氮量下的共同差异代谢物也不同。在韦
恩图中(图4), N1和N2共同的差异代谢物有11个,
N2和N3共同的差异代谢物有9个, N1和N3共同
的差异代谢物高达26个。而它们共同拥有的差异
代谢物是核苷酸及其衍生物中的核糖腺苷, 它分别
在N1和N3水平中表达显著上调, 而在N2水平显
著下调。单作、间作小麦的共同差异代谢物在N1
和N3水平中表现最多, 在3个氮水平下的共同差异
代谢物只在N1和N3水平显著上调, 因此推测单作、
间作小麦在N1、N3水平中共同的显著差异代谢物
与病害发生相关。
2.5 差异代谢物KEGG分类和富集分析
差异代谢物在相互作用的过程中形成了多种通
路。基于白粉病侵染条件下, 对单作、间作小麦叶
片中不同氮水平所鉴定的通路注释并对结果分析,
0
10
20
30
40
50
60
70 N1
0
10
20
30
40
50
60
70
病情指数
Disease index (%)
N2
0
20
40
60
80
100
发病率
Disease incidence rate (%)
N2
0
20
40
60
80
100
3 4 5 6 7 8 9 10
N3
0
10
20
30
40
50
60
70
3 4
接种后天数 Days after inoculation (d)
5 6 7 8 9 10
N3
0
20
40
60
80
100 N1MW
IW
图 1 与蚕豆间作和施氮水平对小麦白粉病发生的影响
Fig. 1 Effects of intercropping with faba bean and nitrogen application level on powdery mildew occurrence in wheat
MW和IW分别表示单作小麦和间作小麦, N1、N2和N3分别表示施氮量为75 mg?kg?1、150 mg?kg?1和225 mg?kg?1; 表示同一氮水平同一时
间不同种植模式间差异显著(P<0.05)。MW: mono-cropped wheat; IW: inter-cropped wheat. N1, N2 and N3 are nitrogen application levels of 75 mg?kg?1,
150 mg?kg?1 and 225 mg?kg?1, respectively. indicates significant difference between different planting patterns under the same N level at the same sampling
time (P<0.05).
908 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷
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同时选取前20种显著通路绘制KEGG富集图。单
作、间作小麦在低氮水平下, 这些差异代谢物主要
富 集 在 代 谢 途 径(31个)、 次 生 代 谢 的 生 物 合 成
(17个)和氨基酸的生物合成(15个), 其中代谢途径
和氨基酸的生物合成显著富集(P<0.05) (图5A)。在
正常施氮水平下(图5B), 差异代谢物主要富集在代
谢途径(25个)、次生代谢的生物合成(8个)和嘌呤
嘧啶(8个), 其中代谢途径显著富集(P<0.05)。在高
氮水平下(图5C), 差异代谢物主要富集在代谢途径
(34个)、次生代谢物的生物合成(24个)和氨基酸的
生物合成(13个), 其中次生代谢物的生物合成和氨
基酸的生物合成显著富集(P<0.05)。本研究发现低
氮和高氮两个水平在氨基酸的生物合成代谢通路都
显著富集, 推测此代谢通路与小麦白粉病的发生有关。
2.6 单间作小麦叶片差异代谢物层次聚类分析
对上调、下调差异倍数前10的代谢物筛选出来
并制作热图进行分析(图6)。其中间作在低氮条件
下(图6A)上调了氨基酸及其衍生物(谷胱甘肽还原
型、L-色氨酸、L-天冬酰胺和L-谷氨酰胺)、生物
碱(N-阿魏酰五羟色胺、3-吲哚丙烯酸、甲氧基吲哚
乙酸和3-吲哚乙腈)、有机酸(3-脲基丙酸)、黄酮
(芹菜素-7,4''-二甲醚), 下调了核苷酸及其衍生物(肌
30
20
10
0
?10
?20 0
PC1 (44.42%)
2D PCA Plot
N1-MW2
N1-MW1
N1-MW3
N1-IW1 N1-IW3
N1-IW2
PC2 (22.29%)
20
30
20
10
0
?10
?20
?20 ?10?30 0 10
PC1 (31.15%)
2D PCA Plot
N2-MW3
N2-MW1
N2-MW2
N2-IW2
N2-IW3
N2-IW1
PC2 (25.85%)
20 30
10
0
?10
?20
?20 ?10?30 0 10
PC1 (41.57%)
2D PCA Plot
N3-MW3
N3-MW1
N3-MW2
N3-IW3
N3-IW2
N3-IW1
PC2 (17.42%)
20
Group
N1-MW
N1-IW
Group
N2-MW
N2-IW
Group
N3-MW
N3-IW
图 2 不同施氮水平下单间作小麦叶片代谢物主成分分析
Fig. 2 Principal component analysis of leaves metabolites of mono- and inter-cropped wheat at different nitrogen application levels
MW和IW分别表示单作小麦和间作小麦, N1、N2和N3分别表示施氮量为75 mg?kg?1、150 mg?kg?1和225 mg?kg?1。MW: monocropped wheat;
IW: intercropped wheat. N1, N2 and N3 are nitrogen application levels of 75 mg?kg?1, 150 mg?kg?1 and 225 mg?kg?1, respectively.
第 6 期 陈 升等 : 单间作小麦响应白粉病菌侵染的差异代谢物及代谢通路 909
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20
A D
B E
C F
10
0
?20
?10
?20 ?10 0
T score (34.1%)
Scores OPLS-DA plot
N1-MW3
N1-MW1
N1-MW2
N1-IW2
N1-IW3
N1-IW1
Orthogonal
T score (31.4%)
10 20
100
0
50
?0.4 ?0.2 0 0.2
Permutations
Q2=0.728
P=0.11 (22/200)
R2X=0.655
R2Y=0.992Frequency
0.6 0.80.4 1.0
100
150
0
50
?0.4 ?0.2 0 0.2
Permutations
Q2=0.846
P<0.005 (0/200)
R2X=0.583
R2Y=1
P<0.005 (0/200)Frequency
0.6 0.80.4 1.0
100
0
50
0 0.2
Permutations
Q2=0.767
P=0.11 (22/200)
R2X=0.543
R2Y=0.997
P<0.005 (0/200)
Frequency
0.6 0.80.4 1.0
20
10
0
?20
?10
?20 ?10 0
T score (29.2%)
N2-MW3
N2-MW1
N2-MW2
N2-IW2
N2-IW3
N2-IW1
Orthogonal
T score (25.1%)
10 20
20
10
0
?20
?10
?20 ?10 0
T score (38.4%)
N3-MW2
N3-MW1
N3-MW3N3-IW3
N3-IW1
N3-IW2
Orthogonal
T score (19.9%)
10 20
N1-MW
N1-IW
Group
N3-MW
N3-IW
Perm Q2
Perm R2Y
P<0.005 (0/200)
Group
N2-MW
N2-IW
Group
图 3 不同施氮水平下单间作小麦叶片代谢物正交偏最小二乘法-判别分析得分图(A、B、C)与置换模型检验图(D、E、F)
Fig. 3 Orthogonal partial least squares method-discriminant analysis score maps (A, B, C) and displacement model test maps (D, E,
F) of leaf metabolites in mono- and inter-cropped wheat at different nitrogen application levels
MW和IW分别表示单作小麦和间作小麦, N1、N2和N3分别表示施氮量为75 mg?kg?1、150 mg?kg?1和225 mg?kg?1。R2X和R2Y: 模型对X和
Y矩阵的解释率; Q2: 模型的预测能力。MW: mono-cropped wheat; IW: inter-cropped wheat. N1, N2 and N3 are nitrogen application levels of 75 mg?kg?1,
150 mg?kg?1 and 225 mg?kg?1, respectively. R2X, R2Y: interpretation rate of the model for X and Y matrix; Q2: predictive power of models.
910 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷
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苷、8-羟基鸟苷和3''-腺嘌呤核苷酸)、有机酸(2-丙
基苹果酸、2-异丙基苹果酸和3-异丙基苹果酸)、酚
酸(香草乙酮和丁香醛)、氨基酸及其衍生物(L-鸟氨
酸)、生物碱(薏苡素)。
间作在正常施氮条件(图6B)上调生物碱(2-羟
基-7-甲氧基-1,4-苯并噁嗪-3(2H)-酮葡萄糖苷、对香
豆酰基腐胺和吲哚)、黄酮[槲皮素-3-O-洋槐糖苷、
槲皮素-3-O-(4''''-O-葡萄糖基)鼠李糖苷和槲皮素-3-O-
芸香糖苷]、氨基酸及其衍生物(谷胱甘肽还原型)、
萜类(海松酸)、脂质(3-羟基十八烷酸)、其他(芸香
糖), 下调了酚酸(阿魏酸、对甲氧基苯丙酸、肉桂酸、
芥子酸和香草乙酮)、核苷酸及其衍生物(2''-脱氧鸟
苷、8-羟基鸟苷和胸苷)、生物碱(薏苡素)、木质素
和香豆素(5,7,8-三羟基-6-甲氧基香豆素)。
间作在高氮条件(图6C)上调了氨基酸及其衍生
物(L-天冬酰胺、L-高甲硫氨酸和L-色氨酸)、生物
碱(3-吲哚乙腈、N-阿魏酰五羟色胺和甲氧基吲哚乙
酸)、有机酸(3-脲基丙酸和十六烷基二酸)、酚酸(1-
O-阿魏酰-3-O-对香豆酰甘油)、萜类(海松酸), 下调
了酚酸(对甲氧基苯丙酸、1-O-阿魏酰奎宁酸、3-O-
阿魏酰奎宁酸、绿原酸、新绿原酸和5-O-阿魏酰奎
尼酸)、生物碱(吲哚、对香豆酰基腐胺和N-葡萄糖
基对香豆酰腐胺)、木质素和香豆素(东莨菪内酯-7-
O-葡萄糖醛酸苷)。
3 讨论
本试验结果与前人研究结果[2]一致, 小麦蚕豆间
作可以显著降低小麦白粉病的发病率和病情指数,
说明小麦蚕豆间作能够有效防治小麦白粉病。在田
间条件下, 小麦蚕豆间作降低了白粉病不同发病阶
段的发病率, 有效抑制了白粉病的侵染[11]。但是本试
表 2 不同施氮水平下单间作小麦叶片差异代谢物分类
Table 2 Classification of differential metabolites of leaves of mono- and inter-cropped wheat at different nitrogen application levels
分类
Class
N1-MW vs N1-IW N2-MW vs N2-IW N3-MW vs N3-IW
上调
Up
下调
Down
总体
Total
上调
Up
下调
Down
总体
Total
上调
Up
下调
Down
总体
Total
黄酮 Flavonoids 2 1 3 5 0 5 0 9 9
萜类 Terpenoids 0 0 0 1 0 1 1 0 1
有机酸 Organic acids 3 5 8 0 5 5 5 5 10
生物碱 Alkaloids 21 1 22 3 3 6 10 10 20
氨基酸及其衍生物 Amino acids and derivatives 14 1 15 1 5 6 11 0 11
酚酸 Phenolic acids 2 3 5 0 7 7 2 21 23
木脂素和香豆素 Lignans and coumarins 2 0 2 0 2 2 0 3 3
脂质 Lipids 2 2 4 1 1 2 0 0 0
核苷酸及其衍生物 Nucleotides and derivatives 5 5 10 0 15 15 1 2 3
鞣质 Tannins 0 0 0 0 0 0 0 1 1
其他 Others 0 0 0 1 2 3 0 7 7
合计 Total 51 18 69 12 40 52 30 58 88
N1-MW vs N1-IW: N1水平(施氮量为75 mg?kg?1)下单作、间作小麦之间差异物的比较; N2-MW vs N2-IW: N2水平(施氮量为150 mg?kg?1)下单作、
间作小麦之间差异物的比较; N3-MW vs N3-IW: N3水平(施氮量为225 mg?kg?1)下单作、间作小麦之间差异物的比较。N1-MW vs N1-IW: comparison of
differential metabolites between mono- and inter-cropped wheat at nitrogen applicaiton level of 75 mg?kg?1 (N1 level); N2-MW vs N2-IW: comparison of
differential metabolites between mono- and inter-cropped wheat at nitrogen applicaiton level of 150 mg?kg?1 (N2 level); N3-MW vs N3-IW: comparison of
differential metabolites between mono- and inter-cropped wheat at nitrogen applicaiton level of 225 mg?kg?1 (N3 level).
N1-MW_vs_N1-IW
N3-MW_vs_N3-IW
54
8
1
25
33 33
10
N2-MW_vs_N2-IW
图 4 不同施氮水平下单间作小麦叶片差异代谢物
Venn图
Fig. 4 Venn diagram of differential metabolites in mono- and
inter-cropped wheat leaves at different nitrogen applic-
ation levels
N1-MW vs N1-IW: N1水平(施氮量为75 mg?kg?1)下单作、间作
小麦之间差异物的比较; N2-MW vs N2-IW: N2水平(施氮量为150
mg?kg?1)下单作、间作小麦之间差异物的比较; N3-MW vs N3-IW: N3
水平(施氮量为225 mg?kg?1)下单作、间作小麦之间差异物的比较。
N1-MW vs N1-IW: comparison of differential metabolites between mono-
and inter-cropped wheat at nitrogen applicaiton level of 75 mg?kg?1 (N1
level); N2-MW vs N2-IW: comparison of differential metabolites between
mono- and inter-cropped wheat at nitrogen applicaiton level of 150
mg?kg?1 (N2 level); N3-MW vs N3-IW: comparison of differential metabol-
ites between mono- and inter-cropped wheat at nitrogen applicaiton level of
225 mg?kg?1 (N3 level).
第 6 期 陈 升等 : 单间作小麦响应白粉病菌侵染的差异代谢物及代谢通路 911
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验条件下, 由于人工接种，病原菌侵染压力较大, 因
此病害侵染初期(接种后0~5 d)和末期(接种后10 d)
并未发现间作降低发病率和病情指数(图1)。
本试验条件在白粉病菌侵染下, 单作、间作小
Metabolism
3
11
11
11
11
11
1 2
11
11
11
11
81
21
11
82
20 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
41
1 25
1 2
1 2
2
8
ABC transportersA
B
C
Metabolism
1410
11
11
11
21
1 6
1 3
21
11
52
2 4
22
31
2 11
52
32
53
15 17
311
33
0 5 10 15 20 25 30 35
Aminoacyl-tRNA biosynthesis
Nicotinate and nicotinamide metabolism
Cysteine and methionine metabolism
Alpha-Linolenic acid metabolism
Biosynthesis of various secondary metabolites - part 2
lndole alkaloid biosynthesis
Phenylalanine, tyrosine and tryptophan biosynthesis
Pyruvate metabolism
Monobactam biosynthesis
Histidine metabolism
Tryptophan metabolism
Biotin metabolism
Lysine degradation
Lysine biosynthesis
Nitrogen metabolism
Vitamin B6 metabolism
Glyoxylate and dicarboxylate metabolism
Purine metabolism
Glutathione metabolism
D-Arginine and D-ornithine metabolism
Arginine biosynthesis
Alanine, aspartate and glutamate metabolism
Beta-Alanine metabolism
Pyrimidine metabolism
Porphyrin and chlorophyll metabolism
Glycine, serine and threonine metabolism
2-Oxocarboxylic acid metabolism
Glucosinolate biosynthesis
Pantothenate and CoA biosynthesis
Cyanoamino acid metabolism
Penicillin and cephalosporin biosynthesis
Valine, leucine and isoleucine biosynthesis
Valine, leucine and isoleucine degradation
Biosynthesis of amino acids
Biosynthesis of secondary metabolites
Metabolic pathways
Carbapenem biosynthesis
Arginine and proline metabolism
Tropane, piperidine and pyridine alkaloid biosynthesis
ABC transporters
Flavone and flavonol biosynthesis
Glutathione metabolism
Cysteine and methionine metabolism
Alpha-Linolenic acid metabolism
Pyruvate metabolism
Biosynthesis of various secondary metabolites - part 2
Phenylpropanoid biosynthesis
Phenylalanine metabolism
Ubiquinone and other terpenoid-quinone biosynthesis
Biosynthesis of amino acids
2-Oxocarboxylic acid metabolism
Carbon metabolism
C5-Branched dibasic acid metabolism
Glyoxylate and dicarboxylate metabolism
Taurine and hypotaurine metabolism
Lysine biosynthesis
Arginine biosynthesis
Ascorbate and aldarate metabolism
Pentose and glucuronate interconversions
Citrate cycle (TCA cycle)
Zeatin biosynthesis
Purine metabolism
Tropane, piperidine and pyridine alkaloid biosynthesis
Lysine degradation
Benzoxazinoid biosynthesis
Phenylalanine, tyrosine and tryptophan biosynthesis
Tryptophan metabolism
Biosynthesis of secondary metabolites
Histidine metabolism
Pyrimidine metabolism
Glycerophospholipid metabolism
Glycine, serine and threonine metabolism
Metabolic pathways
Nicotinate and nicotinamide metabolism
Butanoate metabolism
Beta-Alanine metabolism
Arginine and proline metabolism
Alanine, aspartate and glutamate metabolism
ABC transporters
Aminoacyl-tRNA biosynthesis
Galactose metabolism
Starch and sucrose metabolism
Stilbenoid, diarylheptanoid and gingerol biosynthesis
Cutin, suberine and wax biosynthesis
Flavone and flavonol biosynthesis
Flavonoid biosynthesis
Arginine and proline metabolism
lndole alkaloid biosynthesis
Phenylpropanoid biosynthesis
Carbon metabolism
Carbon fixation in photosynthetic organisms
Pyruvate metabolism
Phosphonate and phosphinate metabolism
Citrate cycle (TCA cycle)
Glycolysis / Gluconeogenesis
Penicillin and cephalosporin biosynthesis
Histidine metabolism
Biotin metabolism
Lysine degradation
Lysine biosynthesis
Nitrogen metabolism
Vitamin B6 metabolism
Glyoxylate and dicarboxylate metabolism
Purine metabolism
Arginine biosynthesis
Sphingolipid metabolism
Glycerophospholipid metabolism
Acridone alkaloid biosynthesis
Biosynthesis of various secondary metabolites - part 2
Alanine, aspartate and glutamate metabolism
Pantothenate and CoA biosynthesis
Beta-Alanine metabolism
Pyrimidine metabolism
Biosynthesis of amino acids
2-Oxocarboxylic acid metabolism
Glucosinolate biosynthesis
Cyanoamino acid metabolism
Valine, leucine and isoleucine biosynthesis
Valine, leucine and isoleucine degradation
Porphyrin and chlorophyll metabolism
Glycine, serine and threonine metabolism
Phenylalanine metabolism
Biosynthesis of secondary metabolites
Benzoxazinoid biosynthesis
Phenylalanine, tyrosine and tryptophan biosynthesis
Tryptophan metabolism
Tropane, piperidine and pyridine alkaloid biosynthesis
Valine, leucine and isoleucine biosynthesis
Tryptophan metabolism
Tropane, piperidine and pyridine alkaloid biosynthesis
Pyruvate metabolism
Purine metabolism
Penicillin and cephalosporin biosynthesis
Metabolic pathways
Lysine degradation
Lysine biosynthesis
lndole alkaloid biosynthesis
Glucosinolate biosynthesis
D-Arginine and D-ornithine metabolism
Cyanoamino acid metabolism
Biosynthesis of secondary metabolites
Biosynthesis of amino acids
Arginine biosynthesis
Aminoacyl-tRNA biosynthesis
ABC transporters
2-Oxocarboxylic acid metabolism
Number
P value
1.00
0.75
0.50
0.25
0
10
20
30
Number
P value
1.00
0.75
0.50
0.25
0
10
5
15
20
25
Number
P value
1.00
0.75
0.50
0.25
0
5
10
15
20
0.2 0.4 0.6
Zeatin biosynthesis
Ubiquinone and other terpenoid-quinone biosynthesis
Taurine and hypotaurine metabolism
Pyruvate metabolism
Pyrimicine metabolism
Purine metabolism
Phenylpropanoid biosynthesis
Pentose and glucuronate interconversions
Metabolic pathways
Lysine degradation
Lysine biosynthesis
Histidine metabolism
Glycerophospholipid metabolism
Citrate cycle (TCA cycle)
C5-Branched dibasic acid metabolism
Butanoate metabolism
Benzoxazinoid biosynthesis
Arginine and proline metabolism
Alanine, aspartate and glutamate metabolism
ABC transporters
0.1 0.2 0.3 0.4
Rich factor
Number
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Valine, leucine and isoleucine degradation
Tryptophan metabolism
Tropane, piperidine and pyridine alkaloid biosynthesis
Stilbenoid, diarylheptanoid and gingerol biosynthesis
Phosphonate and phosphinate metabolism
Phenylpropanoid biosynthesis
Phenylalanine, tyrosine and tryptophan biosynthesis
Lysine degradation
Lysine biosynthesis
Indole alkaloid biosynthesis
Glycerophospholipid metabolism
Glucosinolate biosynthesis
Flavonoid biosynthesis
Cutin, suberine and wax biosynthesis
Biosynthesis of secondary metabolites
Biosynthesis of amino acids
Aminoacyl-tRNA biosynthesis
Acridone alkaloid biosynthesis
ABC transporters
2-Oxocarboxylic acid metabolism
8
71
1 3
1 4
42
1 7
11
11
11
11
1 3
21
11
32
12
1
2 41
2
2 13
74
22
21
21
24
341
67
3
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Metabolism
Metabolic pathways
Valine, leucine and isoleucine degradation
Environmental information processing
Genetic information processing
Environmental information processing
Environmental information processing
Genetic information processing
图 5 单间作小麦在不同施氮水平的差异代谢物KEGG分类和富集图
Fig. 5 KEGG classification and enrichment of differential metabolites in mono- and inter- cropped wheat at different nitrogen ap-
plication levels
图A、B、C分别为75 mg?kg?1、150 mg?kg?1和225 mg?kg?1施氮水平下单作、间作小麦之间差异代谢物分类图(左)和富集图(右)。Figures A,
B and C show the classification (left) and enrichment (right) of different metabolites between mono- and inter-cropped wheat at nitrogen application levels of 75
mg?kg?1, 150 mg?kg?1 and 225 mg?kg?1, respectively.
912 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷
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麦叶片检测到多种差异代谢物, 主要包括氨基酸及
其衍生物、生物碱、黄酮、有机酸和酚酸等物质
(表2)。本研究发现, 虽然单作、间作小麦响应白粉
病菌侵染的差异代谢物受氮水平调控, 但是在低氮
(N1)和高氮(N3)条件下, 间作主要调控了氨基酸的
生物合成。其中N1、N3水平下, 间作主要上调了谷
胱甘肽还原型、L-色氨酸、L-天冬酰胺、L-谷氨酰
胺和L-高甲硫氨酸等氨基酸及其衍生物, 在N2水平
下, 间作仅上调了谷胱甘肽还原型。谷胱甘肽是植
物代谢组中的关键抗氧化剂之一, 它还有利于将硒
转化为还原硒, 是与氨基酸结合的一种化学形式[20]。
色氨酸在一定程度上具有对生物活性和抗病、虫害
反应的作用[21]。而苯丙氨酸是苯丙烷生物合成的底
物, 在苯丙氨酸解氨酶的催化作用下经过特定的途
径转化为具有苯丙烷骨架特征的次生代谢产物[22]。苯
丙烷类化合物在植物受到病原菌侵染时, 能够提高
植物的抗性[23-24]。说明间作种植可能通过调节作物特
定氨基酸的生物合成或代谢过程来提高作物自身抗性。
Methoxyindoleacetic acid
A B
C
Sideretin (5,7,8-Trihydroxy-6-methoxycoumarin)
Cinnamic acid
Thymidine
4-Methoxyphenylpropionic acid
Ferulic acid
2''-Deoxyguanosine
Sinapic acid
8-Hydroxyguanosine
Coixol; 6-Methoxy-2-
benzoxazolinone;MBOA
4''-Hydroxy-3''-methoxyacetophenone (Acetovanillone)
p-Coumaroylputrescine
Indole
Glutathione reduced form
Pimaric acid
3-Hydroxyoctadecanoic acid
2-Hydroxy-7-methoxy-1,4-benzoxazin-3(2H)-
one glucoside (HMBOA glucoside)
Quercetin-3-O-(4"-O-glucosyl)rhamnoside
Rutinose
Quercetin-3-O-robinobioside
Quercetin-3-O-rutinoside (Rutin)
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
N-Feruloylserotonin
3-Indoleacetonitrile
Pimaric acid
Hexadecanedioic acid
L-Tryptophan
L-Homomethionine
L-Asparagine acid
L-Homomethionine
p-Coumaroylputrescine
3-O-Feruloylquinic acid
4-Methoxyphenylpropionic acid
1-O-Feruloylquinic acid
N-Glucosyl-p-coumaroylputrescine
5-O-Feruloylquinic acid
Scopoletin-7-O-glucuronide
N1-MW1N1-MW2N1-MW3N1-IW1N1-IW2N1-IW3
N3-MW1N3-MW2N3-MW3N3-IW1N3-IW2N3-IW3
L-Homomethionine
Methoxyindoleacetic acid
L-Tryptophan
3-Indoleacetonitrile acid
3-Ureidopropionic acid
L-Asparagine
Pimaric acid
Hexadecanedioic acid
N-Feruloylserotonin
1-O-Feruloyl-3-O-p-coumaroylglycerol
N-Glucosyl-p-coumaroylputrescine
lndole
p-Coumaroylputrescine
4-Methoxyphenylpropionic acid
1-O-Feruloylquinic acid
Chlorogenic acid (3-O-caffeoylquinic acid)
Neochlorogenic acid (5-O-caffeoylquinic acid)
5-O-Feruloylquinic acid
Scopoletin-7-O-glucuronide
3-O-Feruloylquinic acid
N2-MW1N2-MW2N2-MW3N2-IW1N2-IW2N2-IW3
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
3-Ureidopropionic acid
1-O-Feruloyl-3-O-p-coumaroylglycerol
Neochlorogenic acid (5-O-caffeoylquinic acid)
chlorogenic acid (3-O-caffeoylquinic acid)
图 6 单间作小麦在不同施氮水平的差异代谢物的层次聚类图
Fig. 6 Hierarchical cluster diagrams of differential metabolites of mono- and inter-cropped wheat at different nitrogen application
levels
图A、B、C分别表示75 mg?kg?1 (N1)、150 mg?kg?1 (N2)和225 mg?kg?1 (N3)施氮水平下单作、间作之间的比较。MW表示单作小麦, IW表示
间作小麦。Figure A, B and C show the comparison between mono- and inter-cropped wheat at nitrogen application levels of 75 mg?kg?1, 150 mg?kg?1 and 225
mg?kg?1, respectively. MW and IW represent the mono- and inter-cropped wheat, respectively.
第 6 期 陈 升等 : 单间作小麦响应白粉病菌侵染的差异代谢物及代谢通路 913
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氨基酸是较容易受到环境压力影响的代谢物,
它们参与多种代谢途径和许多次级代谢产物的结构,
这些次级代谢产物参与防御、信号和结构过程[25]。
因此氨基酸在植物抗病性中的作用受到广泛关注。
小麦接种条纹花叶病毒后, 叶片中苯丙氨酸减少, 脯
氨酸、精氨酸和异亮氨酸增加[26]。表明病原菌侵染
植物后, 氨基酸代谢会发生改变。本试验条件下, 并
未比较接种前后代谢产物的差异, 因此尚不能确定
单作、间作小麦在代谢产物方面响应病原菌侵染的
差异。
本研究发现病原菌侵染后, 作为次生代谢物的
生物碱在低氮水平下间作显著上调了N-阿魏酰五羟
色胺、3-吲哚乙腈、3-吲哚丙烯酸和甲氧基吲哚乙
酸, 但是随着施氮量的增加, 生物碱上调和下调数量
一致(表2), 且在高氮条件下次生代谢物的生物合成
也有显著富集, 说明间作调控生物碱应答病原菌的
侵染与施氮量密切相关。有研究表明, 生物碱类物
质具有一定抗菌活性作用[27-28]。本研究中五羟色胺
的衍生物N-阿魏酰五羟色胺随着施氮量的增加也有
不同差异倍数的变化, 推测其与白粉病菌侵染有关。
黄酮类(芹菜素-7,4’-二甲醚)、黄酮醇(槲皮素-3-
O-洋槐糖苷、槲皮素-3-O-鼠李糖苷和槲皮素-3-O-芸
香糖苷)也均出现不同程度的上调。有研究表明黄
酮类等代谢物质在植物体内也具有一定的抗菌、抗
氧化等功能, 对病原体的入侵具有一定的抵御效果,
可以增强病原体的防御[29]。其中色氨酸、脯氨酸等
氨基酸代谢的中间产物也参与了类黄酮、木质素等
抗病相关物质的合成[30]。
其他的一些次生代谢物如萜类、酚酸类等物质
对病原物也有直接抑菌的活性和信号传导的作用,
能诱导植物表现抗病性从而阻止病原体入侵的作
用[31-32]。高氮会减少马铃薯(Solanum tuberosum L.)
叶片中绿原酸的浓度, 降低马铃薯对病原菌的抗性[33]。
高氮还会减少棉花(Gossypium hirsutum L.)叶片中萜
类醛的分泌, 从而受到病原菌侵染[34]。在低氮情况
下, 番荔枝[Annona emarginata (Schltdl.) H. Rainer]中
与防御有关的挥发物质(如单萜和倍半萜)合成增加,
使植物抗病性增强[35]。本试验中正常施氮和高氮下
萜类(海松酸)均有不同程度上调, 而酚酸类随着施
氮水平的增加下调的数量不断增多, 高氮水平下常
见的酚酸如阿魏酸、绿原酸和新绿原酸均出现明显
下调。由此推断在小麦白粉病发生侵染后诱导了相
关抗病代谢产物的产生, 帮助植物在防御途径中做
出贡献。
4 结论
人工接种小麦白粉病菌条件下, 小麦蚕豆间作
主要降低了侵染后期(接种后5 d)白粉病的发病率
和病情指数。病原菌侵染后, 单作、间作小麦叶片
差异代谢物受氮水平调控, 其中氮胁迫条件下(N1
和N3)差异代谢物均高于正常氮水平(N2)。与单作
相比, 间作小麦叶片黄酮、生物碱、氨基酸及其衍
生物和酚酸等多种代谢产物发生改变。在氮胁迫下,
N1水平间作上调了谷胱甘肽还原型、L-色氨酸、L-
天冬酰胺和L-谷氨酰胺, N3水平间作上调了L-天冬
酰胺、L-高甲硫氨酸和L-色氨酸。推测这些代谢产
物, 尤其是氨基酸及其衍生物可能参与调控抵御白
粉病病菌的侵染。本研究利用代谢组学揭示了单作、
间作小麦应答白粉病病菌侵染的生理代谢差异, 为
深入理解单作和间作小麦应对病害发生的代谢差异
提供了理论依据和支撑。
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