ENCECO | 华南农业大学舒迎花教授团队研究:玉米介导的镉胁迫对草地贪夜蛾的生态毒理效应:肠道结构、微生物组及转录组的响应

镉（Cd）作为一种典型的高毒性重金属，已成为全球农田土壤污染的主要威胁之一，严重危及生态系统稳定与农业安全生产。玉米因生物量大、茎叶对Cd的富集能力强且籽粒转移率低，被广泛用于Cd污染农田的“边生产边修复”实践。在重金属胁迫下，植物通常会启动元素防御（直接毒性效应）和有机防御（代谢物调控）双重机制，以抵御植食性昆虫的取食。然而，不同浓度Cd胁迫如何通过调控这两种防御途径影响害虫的生理代谢，尤其是其对害虫肠道超微结构、肠道微生物组及相关基因表达的调控机制，目前尚缺乏系统研究。草地贪夜蛾作为一种暴食性入侵害虫，对玉米等多种作物造成毁灭性危害。因此，解析Cd污染农田中玉米与草地贪夜蛾的互作机制，将为污染区害虫的绿色防控提供重要理论支撑。

【文章内容概要】

近日，华南农业大学资源环境学院舒迎花教授团队在Environmental Chemistry and Ecotoxicology期刊发表题为“Ecotoxicological effects of maize-mediated cadmium stress on the fall armyworm (Spodoptera frugiperda): Gut cell ultrastructure, microbiome and transcriptome”的研究论文。该研究通过设置0、1、5 mg/kg三种土壤Cd浓度处理的盆栽试验，系统探究了Cd胁迫下玉米对草地贪夜蛾生长发育、肠道超微结构、微生物组及转录组的影响，揭示了植物代谢物与体内Cd对植食性昆虫的协同防御机制。

研究结果表明，低浓度Cd（1 mg/kg）处理的玉米对草地贪夜蛾生长发育的抑制效应显著强于高浓度（5 mg/kg）处理。取食低Cd处理组玉米叶片的幼虫，其存活率显著降低、发育周期延长，体重增长仅为对照组的50%左右，且食物转化效率显著下降。透射电镜观察结果显示，取食不同浓度Cd处理玉米叶片的草地贪夜蛾，其肠道细胞均出现核膜破裂、微绒毛断裂等损伤，且低Cd处理组的细胞受损程度更为严重。16S rDNA测序结果表明，取食低Cd胁迫玉米叶片显著降低了草地贪夜蛾肠道中有益菌（如肠球菌属Enterococcus）的丰度，同时富集了耐重金属致病菌（如假单胞菌属Pseudomonas、乌尔辛氏不动杆菌Acinetobacter ursingii），且肠道菌群组成与幼虫生长指标呈显著相关性。转录组分析显示，取食低Cd处理叶片后，草地贪夜蛾的代谢相关通路（如次生代谢物合成、氨基酸生物合成）显著下调，而先天免疫反应等防御通路显著上调，表明其采取了“代谢抑制—免疫激活”的资源分配策略。进一步研究发现，低Cd胁迫下玉米叶片中可溶性糖和苯并恶嗪类化合物（BXs，如 HDMBOA-Glc、M2BOA）含量显著升高，这些代谢物与Cd协同作用，共同调控草地贪夜蛾的肠道功能与生长发育，而非Cd单独作用。

图1 取食不同浓度Cd处理玉米叶片后草地贪夜蛾肠道的透射电镜图像

(A-C) 对照组； (D-F) 1 mg/kg Cd处理组； (G-I) 5 mg/kg Cd处理组。

缩写：M，线粒体；N，细胞核；MV，微绒毛；S，球状体；红色箭头，Cd颗粒。

图2 取食不同浓度Cd处理玉米叶片后草地贪夜蛾肠道菌群的变化

图3 取食不同浓度Cd处理玉米叶片后的草地贪夜蛾肠道转录组的响应

(A-C) 不同Cd处理间差异表达基因火山图；(D-E) 不同Cd处理间差异表达基因KEGG富集气泡图。

图4不同浓度Cd胁迫下玉米叶片中多种成分含量的变化

(A) Cd含量；(B) Zn含量；(C) Fe含量；(D) 可溶性糖含量；(E) 氨基酸含量；(F) 总酚类物质含量；(G) HDMBOA-Glc含量；(H) M₂BOA含量；(I) 总苯并恶嗪类化合物（BXs）含量。

【原文链接】

Qiao Yang, Kaixuan Wu, Yangbeijia Liu, Yeshan Guo, Jiahang Liang, Wendi Zhao, Bin Tang, Jianwu Wang, Yinghua Shu.Ecotoxicological effects of maize-mediated cadmium stress on the fall armyworm (Spodoptera frugiperda): Gut cell ultrastructure, microbiome and transcriptome.Environmental Chemistry and Ecotoxicology7, 1289-1299. https://doi.org/10.1016/j.enceco.2025.06.011

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