两种跨大陆分布的云杉物种中，与昆虫防御相关的β-葡萄糖苷酶基因βglu-1的分子表型变异

《Molecular Ecology》：Variation in the Molecular Phenotype of βglu-1, an Insect Defence-Related Beta-Glucosidase Gene, in Two Transcontinental Picea Species

　　本研究通过RT-qPCR和靶向转录组测序，比较了北美云杉（Picea glauca）和欧洲云杉（Picea abies）中βglu-1基因的表达水平。结果表明，P. glauca的βglu-1表达与年降水量和虫害爆发强度正相关，且存在显著的东-西种群差异；而P. abies的βglu-1表达则与温度年范围相关，但无明显地理模式。该研究揭示了气候和生物因素对云杉抗虫防御基因表达的驱动作用。

　　森林树木面临多种昆虫害虫的威胁，因此理解它们的防御机制对于维持其生存和生态系统的稳定至关重要。本研究聚焦于两种跨大陆的针叶树种——白松（*Picea glauca*）和欧洲云杉（*Picea abies*），探讨它们在防御昆虫害虫方面基因表达的差异。尽管*P. glauca*在北美地区与主要的昆虫害虫*Choristoneura fumiferana*（即落叶松毛虫）共存，而*P. abies*在自然分布范围内并没有这种主要害虫，但*βglu-1*基因的表达在两种树种中均被检测到，且其表达水平与植物的防御能力密切相关。通过比较这两个物种在各自分布区域的*βglu-1*转录水平，我们试图揭示其基因表达的地理分布模式以及可能影响其表达的生物和非生物因素。

在*P. glauca*中，*βglu-1*的转录水平表现出显著的纵向变化，并且与年均降水量和*Choristoneura fumiferana*的爆发强度密切相关。这种现象表明，东部地区的*P. glauca*种群可能在长期的昆虫压力下发展出了更强的防御机制。相比之下，*P. abies*的*βglu-1*转录水平则与年温差相关，但其地理结构和表达模式尚不明确。这提示我们，虽然*βglu-1*在两个物种中都起着重要作用，但其表达的驱动因素可能因地理分布和生态条件的不同而有所差异。

为了更好地理解这些差异，研究团队采用了一系列实验方法，包括RT-qPCR和靶向转录组测序。RT-qPCR技术能够有效检测不同区域的基因表达水平，而靶向转录组测序则提供了更全面的基因表达图谱。研究结果表明，尽管两种方法在某些基因形式上存在一定的差异，但总体趋势是一致的，这有助于我们对基因表达的可靠性进行评估。此外，研究还发现，在*P. glauca*中，某些基因形式的表达水平显著高于其他形式，这可能与其在不同种群中的适应性变化有关。

从地理角度来看，*P. glauca*的*βglu-1*转录水平呈现出明显的东向梯度，这种梯度可能与气候条件和昆虫压力的长期相互作用有关。研究团队通过构建热图和聚类分析，发现东部种群的*βglu-1*表达水平普遍较高，这与*Choristoneura fumiferana*的频繁爆发相吻合。而在*P. abies*中，基因表达的地理模式并不显著，这可能与其分布范围内的昆虫压力较小，以及人类活动对其自然分布的干扰有关。这些发现不仅有助于我们理解植物如何通过基因表达来适应环境压力，也为未来研究提供了重要的方向。

从生态学角度出发，*βglu-1*的表达水平可能受到多种因素的影响，包括气候条件、昆虫压力以及植物的生长模式。例如，年均降水量（BIO12）与*Choristoneura fumiferana*的爆发等级呈正相关，这表明在降水量较高的地区，树木可能需要更强的防御机制来应对频繁的昆虫侵害。此外，*βglu-1*的表达还可能受到植物生长周期的影响，如芽的萌发时间。在*P. glauca*中，芽的萌发时间与温度密切相关，而这种时间变化可能影响昆虫的发育周期，从而间接影响*βglu-1*的表达。因此，气候变化可能对*βglu-1*的表达水平产生深远的影响。

在*P. abies*中，虽然其*βglu-1*的表达水平与气候条件相关，但其地理分布的复杂性使得我们难以确定其表达的直接驱动因素。研究团队指出，*P. abies*的种群结构可能受到人类活动的影响，导致其自然分布的丧失，这可能削弱了其防御能力的地理适应性。此外，由于*P. abies*与近缘物种之间存在持续的基因流动，这种流动可能掩盖了原有的本地适应性特征，如昆虫抗性。因此，对于*P. abies*而言，进一步研究其基因表达的驱动因素是必要的。

本研究的结果为理解植物如何通过基因表达来应对昆虫侵害提供了新的视角。*βglu-1*作为关键的防御基因，其表达水平不仅反映了植物的防御能力，还可能受到环境压力和选择因素的调控。通过对不同种群和地理区域的比较，我们发现*P. glauca*的防御机制在东部地区更为显著，这可能与其长期适应昆虫压力有关。而在*P. abies*中，尽管其防御基因的存在被证实，但其表达模式尚未完全揭示，需要进一步的实验和研究来探讨。

此外，研究还强调了气候和昆虫压力之间的复杂关系。例如，在*P. glauca*中，温度变化可能通过影响芽的萌发时间，进而影响昆虫的发育周期，从而对*βglu-1*的表达产生间接影响。这种时间上的错位可能导致植物在昆虫侵害发生前完成更多的生长，从而降低其受到的伤害。因此，气候变化可能不仅影响植物的防御能力，还可能改变其与昆虫之间的相互作用模式。

综上所述，本研究通过综合分析*P. glauca*和*P. abies*的*βglu-1*基因表达水平，揭示了不同树种在防御机制上的适应性差异。研究结果不仅加深了我们对植物防御基因表达模式的理解，也为未来的生态管理和植物保护策略提供了重要的科学依据。特别是在面对气候变化和昆虫害虫范围扩展的背景下，了解这些基因的表达机制将有助于制定更有效的应对措施。