茶樹的抗蟲性和抗性育種研究

李榮林　楊亦揚(yáng)　胡雲(yún)飛　宋甫林　蘇杭　孔云龍　袁浩

摘要：茶樹通過以下途徑對(duì)有害生物產(chǎn)生抗性：以形態(tài)構(gòu)建方式阻隔昆蟲的侵害；因代謝的變化顯著改變?nèi)~片的生化成分影響害蟲的取食選擇；通過補(bǔ)償生長減少害蟲取食造成的產(chǎn)量損失；昆蟲取食和激活劑誘導(dǎo)可以增強(qiáng)茶樹的抗性并發(fā)生遺傳上的改變。傳統(tǒng)的單株選育方式結(jié)合現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的運(yùn)用是茶樹抗性品種選育的基本方式，但茶樹抗性指標(biāo)的選擇和抗性分級(jí)系統(tǒng)仍有待研究。

關(guān)鍵詞：茶樹；抗蟲性；育種

中圖分類號(hào)：S571.103.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1002-1302（2015）05-0001-03

植物育種的目標(biāo)主要包括高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆等，其中抗病蟲性是關(guān)系到植物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、安全的基礎(chǔ)目標(biāo)。由于茶樹含有大量具有較強(qiáng)抑菌活性的多酚，因此在茶葉生產(chǎn)過程中對(duì)病害的關(guān)注程度不如蟲害高，蟲害是經(jīng)常造成嚴(yán)重后果的一種災(zāi)害，所以抗蟲性一直是茶樹育種的重要選擇指標(biāo)。具有抗性機(jī)制的茶樹，通過化學(xué)、物理、機(jī)械作用以及物候作用，較少或不被害蟲選擇，或積極地拒斥害蟲前來?xiàng)?、產(chǎn)卵、取食，這將減少化學(xué)農(nóng)藥的使用，具有明顯的安全和生態(tài)意義。

茶樹在長期的栽培馴化過程中進(jìn)化出一些特殊的防御外來侵害的方式，基本上包括3種機(jī)制，即忌避性、抗生性和耐害性。這種防御機(jī)制的產(chǎn)生是由于茶樹遭遇昆蟲的侵害后產(chǎn)生出一定的物理和化學(xué)障礙，物理障礙包括葉片的質(zhì)地、硬度和表面附屬物，化學(xué)障礙則是營養(yǎng)因子限制和次生代謝化合物或他感化合物的存在。

我國茶樹抗性育種目前還剛起步，還沒有系統(tǒng)選育出抗主要病蟲害的品系，對(duì)于目前茶樹上一些危害嚴(yán)重的害蟲如茶尺蠖、小綠葉蟬、黑刺粉虱、介殼蟲、螨類等，仍需依靠化學(xué)農(nóng)藥來控制，這對(duì)環(huán)境和食品安全造成了巨大壓力，還需要從多種途徑來研究經(jīng)濟(jì)、安全、有效的解決方法，而茶樹抗性育種是一個(gè)前導(dǎo)性的工作?？剐杂N的基礎(chǔ)是對(duì)茶樹的抗性機(jī)制有較為深刻的了解，本研究對(duì)茶樹抗蟲性的生理生化機(jī)制和相應(yīng)的育種技術(shù)進(jìn)行討論，為開展相關(guān)的研究提供參考。

1.茶樹的抗蟲性特征

1.1忌避作用

在昆蟲或其他有害生物逼近植物或已在其上停留棲息時(shí)，植物體表茸毛的有無及長度、密度，表皮角質(zhì)層的厚薄及其蠟質(zhì)、分泌物和礦物質(zhì)的積存，植物組織的含水量與硬度等差異可以顯著影響到害蟲的行為。一般說來，多毛、厚壁、蠟質(zhì)較厚、葉片硬度較高對(duì)害蟲的棲息和取食不利。害蟲的發(fā)生期與作物的物候期是否協(xié)調(diào)也影響到害蟲的選擇性，當(dāng)植物所處的某個(gè)生長期與易被危害取食的時(shí)期不發(fā)生重疊時(shí)，對(duì)害蟲的繁衍不利，會(huì)減少害蟲的取食選擇。例如，大多數(shù)對(duì)小葉蟬的研究認(rèn)為，芽葉節(jié)間長的品種較易感蟲，嫩葉柵狀組織和嫩莖皮層厚角細(xì)胞厚度增大則感蟲減少；氣孔數(shù)量多，即氣孔密度大，有利于害螨的取食；而茸毛的多少與害螨發(fā)生程度的關(guān)系還不確定；茶樹的分枝角度和葉片著生角度影響茶樹害蟲的產(chǎn)卵量；黃綠色的新梢更易引誘小綠葉蟬、麗紋象甲、黑刺粉虱寄住；分枝角度影響成蟲的產(chǎn)卵選擇和卯的孵化率，分枝角度較小不利于卯的著生。

1.2生化抗性

植物所含化學(xué)成分對(duì)害蟲具有毒害作用或缺失必要的營養(yǎng)，使之發(fā)育不良、體型變小、體重減輕、壽命縮短、死亡率增加、生殖力受抑制。植物發(fā)育的某個(gè)階段因自然原因和外界刺激的影響，組織中的生物堿、萜類、醛酮類等含量或其組成發(fā)生顯著變化，超過昆蟲所能忍受的程度，就會(huì)干擾昆蟲的消化和代謝?？瓜x茶樹品種新梢中的咖啡堿含量均明顯高于感蟲品種，茶多酚含量高的茶樹品種受害指數(shù)低。

茶樹受害蟲和病原菌危害后，多酚氧化酶、過氧化物酶、苯丙氨酸解氨酶、蛋白質(zhì)水解酶等酶活性都有不同程度的提高，抗性較強(qiáng)的品種酶活提高的幅度較大。

1.3耐害性

某些植物雖然也容易遭受外來侵害，但具有很強(qiáng)的生殖和補(bǔ)償生長能力，使損失降低。許多作物受害的峰期與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量形成的關(guān)鍵期有一段間隔，這樣在遭受侵害后有足夠的時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償性生長，從而維持經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量基本不變。茶樹大多是通過采收細(xì)嫩芽葉來獲得產(chǎn)量的，即使是烏龍茶、普洱茶、黑茶等以成熟葉為采收對(duì)象的茶類也要求有帶芽的新梢，因此以嫩梢芽葉為食的害蟲，對(duì)茶葉產(chǎn)量影響較大，而危害成葉、老葉的害蟲對(duì)產(chǎn)量影響較小。由于茶葉采摘的顯著季節(jié)性特點(diǎn)，有時(shí)危害雖重，但經(jīng)過一段時(shí)間的恢復(fù)性生長下季茶新梢仍可以很好地發(fā)育。

1.4茶樹抗蟲性的誘導(dǎo)

植物接受外來刺激產(chǎn)生一系列有利于增強(qiáng)對(duì)外來侵害防御能力的生理生化反應(yīng)，稱為植物的抗性誘導(dǎo)。前人已對(duì)昆蟲取食和茉莉酸、水楊酸、苯并噻二唑（BTH）、β一氨基丁酸（BABA）處理誘導(dǎo)茶樹產(chǎn)生的抗蟲性開展了詳細(xì)研究。以茉莉酸甲酯（MJA）通過噴霧或暴露處理茶樹，葉片脂氧合酶（LOX）、多酚氧化酶（PPO）和蛋白酶抑制素活性增強(qiáng)，茶尺蠖幼蟲被單白綿絨繭蜂的寄生比率提高，飼喂處理的茶樹葉片幼蟲體重增加量和取食葉面積比對(duì)照顯著下降，MJA處理的的茶樹新梢產(chǎn)生了對(duì)單白綿絨繭蜂引誘作用的新的揮發(fā)物，MJA誘導(dǎo)茶樹產(chǎn)生了直接抗蟲性和間接抗蟲性。

用水楊酸甲酯（MeSA）處理茶樹24h后，葉片內(nèi)苯丙氨酸解氨酶（PAL）、脂氧合酶的活性上升。MeSA處理的茶樹對(duì)假眼小綠葉蟬產(chǎn)生了比較明顯的驅(qū)避效應(yīng)，而對(duì)龜紋瓢蟲、異色瓢蟲、小黑瓢蟲、蜘蛛和寄生蜂等茶園主要天敵表現(xiàn)出了明顯的誘集效應(yīng)。

用苯并噻二唑（BTH）和口一氨基丁酸（BABA）對(duì)茶樹進(jìn)行處理，結(jié)果葉片組織中多酚氧化酶（PPO）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）、過氧化物酶（POD）的基因表達(dá)量增加，酶活性明顯上升。用BTH和BABA處理過的茶樹葉片飼喂茶尺蠖，幼蟲發(fā)育總歷期延長，存活率、化蛹率、羽化率均明顯降低，幼蟲體重、蛹重下降，茶多酚含量增加。

從茶尺蠖取食后的信陽大葉種分離出19個(gè)受茶尺蠖取食誘導(dǎo)的基因，包括參與脂類代謝的基因、編碼細(xì)胞壁蛋白的基因、木質(zhì)素合成基因、類黃酮合成代謝基因和轉(zhuǎn)錄因子等。用類似方法發(fā)現(xiàn)有21個(gè)cDNA受假眼小綠葉蟬取食的誘導(dǎo)。外源MeSA處理后有80條基因的表達(dá)量發(fā)生了變化。

2.茶樹的抗蟲性育種

現(xiàn)有的茶樹抗性育種途徑和茶樹其他優(yōu)良性狀品種選擇或選育一樣，主要是從單抹選育開始，經(jīng)過不斷篩選測試、逐漸放大的區(qū)域試驗(yàn)，最后經(jīng)過鑒定而育成。茶樹抗蟲性指標(biāo)的確定仍以傳統(tǒng)的田間觀察和測試為主，以生物化學(xué)、形態(tài)學(xué)鑒定方法為輔。

2.1茶樹抗性品種資源的鑒定

2.1.1田間百葉蟲數(shù)調(diào)查根據(jù)本地區(qū)茶樹病蟲發(fā)生的實(shí)際情況，在害蟲預(yù)定發(fā)生的各個(gè)高峰期連續(xù)開展田間調(diào)查，方法是按照病蟲測報(bào)的一般程序?qū)Σ煌铇淦贩N上的一定種類害蟲的蟲口數(shù)量定點(diǎn)、定時(shí)、定人進(jìn)行調(diào)查，比較在相同環(huán)境條件下不同茶樹品種上害蟲的發(fā)生率。如能發(fā)現(xiàn)某些品種或植抹受害輕微甚至不受危害，便可選定作為潛在具有抗性的育種資源。

2.1.2室內(nèi)接種鑒定選定的茶樹植株通過初步擴(kuò)大繁殖后，按照相同條件用直接暴露法接種一定數(shù)量的蟲源，精確測定植株受損害的程度（葉片的面積和莖葉的質(zhì)量、減產(chǎn)百分率）或記錄害蟲的生命表（害蟲聚集程度、取食時(shí)間、次數(shù)、生長發(fā)育時(shí)間、死亡率、產(chǎn)卵量和壽命）。非生長季節(jié)也可以制備人工飼料開展飼蟲試驗(yàn)。

3.2抗性分級(jí)

由于危害茶樹的害蟲種類較多，并且在各個(gè)不同茶區(qū)主要的危害種類不同，茶樹抗性的分級(jí)還缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以田間實(shí)際調(diào)查的百葉蟲口數(shù)為基準(zhǔn)，這是相對(duì)可行的一種方法，但也易受環(huán)境干擾。朱俊慶等提出了根據(jù)田間調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行危害分級(jí)（表1）。

刺吸式害蟲所造成的芽梢生長抑制難以準(zhǔn)確區(qū)分，而且影響因素過于復(fù)雜，不是一個(gè)理想的選擇。小綠葉蟬的卵產(chǎn)于茶樹表皮組織內(nèi)，也難于檢識(shí)，因此最好還是以田間種群密度調(diào)查為基礎(chǔ)。食葉類害蟲除直接于田間調(diào)查蟲口數(shù)外，可以通過室內(nèi)飼養(yǎng)測定葉片的消耗和害蟲的發(fā)育進(jìn)程、生理指標(biāo)來判定抗性，但同樣需要建立統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，規(guī)定好供試蟲源和飼養(yǎng)條件的要求。

3.研究方向

3.1抗蟲性鑒定的技術(shù)

抗蟲性直接鑒定的方法受指標(biāo)選擇、環(huán)境變異、危害特征復(fù)雜性和觀察者主觀印象等多種因素的影響，抗蟲性鑒定的方法應(yīng)更為簡便、靈活并實(shí)現(xiàn)規(guī)范化，因此以生長抑制率、感蟲數(shù)等量度作為抗性分級(jí)的指標(biāo)都有明顯缺陷。

茶樹抗蟲性的形態(tài)特征是抗性分級(jí)的可選參考指標(biāo)，但目前對(duì)于茶樹形態(tài)特征與抗病蟲之間的關(guān)系缺少系統(tǒng)研究，更沒有量化指標(biāo)可用，這將是茶樹抗性鑒定的重要研究方向。

生化指標(biāo)有助于篩選抗蟲品種，但抗性是一個(gè)多種因素參與的復(fù)雜過程，各種作用機(jī)制有時(shí)是很難明確區(qū)分的，生化指標(biāo)的具體作用方向會(huì)因茶樹品種、害蟲類型等產(chǎn)生明顯差異；另一方面有些生化指標(biāo)對(duì)害蟲的作用和對(duì)茶樹的作用可能趨于相反的方向，單純依靠靜態(tài)的分析尚不足以闡明其作用的實(shí)質(zhì)，例如生長良好的茶樹可溶性蛋白、氨基酸、可溶性糖等應(yīng)處于一個(gè)較高的水平，這有利于茶樹抵御侵害，因?yàn)檫@似乎意味著茶樹的生長勢較強(qiáng)，但從已有的報(bào)道來看，無論是茶樹還是其他作物，總的趨勢是抗性品種可溶性蛋白、可溶性糖類和氨基酸都處于相對(duì)較低的水平，理論上的分析認(rèn)為這意味著植物組織對(duì)害蟲的營養(yǎng)性降低，這2種作用方向存在一定的矛盾。因此對(duì)于抗蟲性的理化指標(biāo)從技術(shù)和理論兩方面都還需要開展更為深入的研究。

近年來發(fā)展出昆蟲刺吸電位檢測技術(shù)，可在受控條件下準(zhǔn)確測定害蟲對(duì)植物的取食行為，幫助鑒定植物的抗蟲性。

一個(gè)茶樹品種除根據(jù)抗性育種目標(biāo)開展抗性測試外，對(duì)育成的抗性品種還需要從生態(tài)學(xué)角度評(píng)估它在病蟲害綜合治理中的作用，研究其對(duì)捕食性天敵的影響、對(duì)育種目標(biāo)以外其他病蟲害的適應(yīng)性、對(duì)土壤環(huán)境的適應(yīng)性、對(duì)農(nóng)藥減量化效果的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)等。當(dāng)茶樹害蟲的取食選擇性發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)，害蟲取食對(duì)象的轉(zhuǎn)移對(duì)其他茶樹品種、其他農(nóng)作物的影響也需要加以研究。在轉(zhuǎn)基因植物研究中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)抗蟲植物釋放后，某些昆蟲在原有其他寄主植物上的發(fā)生率也大為降低，但也存在著這些害蟲轉(zhuǎn)移危害的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

3.2茶樹抗性育種的新方向

傳統(tǒng)方法如單株選育、雜交育種、誘變技術(shù)在育種實(shí)踐中仍占有主導(dǎo)地位，應(yīng)用現(xiàn)代分子生物學(xué)方法開展茶樹育種研究是未來加速茶樹種質(zhì)創(chuàng)新的基本手段。人們對(duì)植物抗蟲基因發(fā)掘產(chǎn)生興趣的一個(gè)重要?jiǎng)訖C(jī)是利用基因工程手段將這些基因在不同類型或同一類型不同品種植物之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移。茶樹的重要性狀基因標(biāo)記、克隆已經(jīng)有相當(dāng)多的研究，但遺傳轉(zhuǎn)化較為困難，雖然如此，基因工程在茶樹上的應(yīng)用也已有嘗試，例如已有研究者將Bt基因轉(zhuǎn)入茶樹，但是茶樹作為一種食品資源，發(fā)展轉(zhuǎn)基因技術(shù)會(huì)存在很多疑慮，因此如何利用分子生物學(xué)研究結(jié)果指導(dǎo)茶樹的常規(guī)育種是值得思考的。

在自然選擇條件下，既具有抗性特征又有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)的茶樹品種難以獲得，抗性的選擇往往與經(jīng)濟(jì)性的選擇存在一定矛盾，在茶樹抗性育種的具體實(shí)踐中除了沿襲傳統(tǒng)有效的篩選方法外，利用抗性誘導(dǎo)技術(shù)開展茶樹育種可能是一個(gè)新的方向，將有助于設(shè)計(jì)更為簡單有效的抗性鑒定方法，為種質(zhì)資源的發(fā)掘和利用提供重要線索。

抗性誘導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用至少有2個(gè)方向：一是抗性的鑒定，這又有2種路徑，分別是利用外源物誘導(dǎo)和害蟲取食誘導(dǎo)，具有抗性的品種在誘導(dǎo)作用下所發(fā)生的生理生化反應(yīng)一般也要比弱抗性品種要強(qiáng)烈，用誘導(dǎo)技術(shù)利于選擇出抗性品種；另一個(gè)利用方向是通過長期的外源刺激使茶樹的遺傳改變能夠固定下來，為進(jìn)一步的篩選提供基礎(chǔ)。

無論是外源化合物的刺激還是害蟲取食的誘導(dǎo)，值得關(guān)注的是這種獲得性抗性的持久性、抗蟲性相關(guān)基因發(fā)生的變化以及遺傳上的改變。通過研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)抗性誘導(dǎo)過程中植物產(chǎn)生了一系列的基因表達(dá)變化，這些基因涉及到基礎(chǔ)生化、二級(jí)代謝、組織發(fā)育、結(jié)構(gòu)分化和信號(hào)傳遞等多個(gè)環(huán)節(jié)，在長期反復(fù)刺激下甚至產(chǎn)生了基因的變異，其作用效果頗類似于常見的化學(xué)誘變。通過對(duì)現(xiàn)有優(yōu)良品種進(jìn)行一級(jí)初篩，再以誘導(dǎo)抗性為基礎(chǔ)進(jìn)行篩選，可以提高篩選效率。

3.3遺傳基礎(chǔ)與遺傳改良

通過抗性遺傳規(guī)律的研究，探明基因作用的特點(diǎn)及與其他性狀的連鎖作用，有選擇地開展具有不同優(yōu)良性狀抗性品系的雜交，或把有抗性的近緣植物與具有優(yōu)良栽培性狀的品系進(jìn)行雜交，使抗性基因和其他優(yōu)良性狀基因能夠發(fā)生整合以獲得兼具抗性和其他優(yōu)良農(nóng)藝特性的新品種。

自轉(zhuǎn)基因植物問世以來，植物誘導(dǎo)抗性的概念、方法和研究范疇也在逐漸更新、擴(kuò)大，已有研究者將外源抗蟲基因的導(dǎo)入也歸入了誘導(dǎo)抗性范疇。例如有報(bào)道Bt基因抗蟲棉使用的啟動(dòng)子中就有一段受水楊酸激活的ASL序列，普遍認(rèn)為水楊酸可以誘導(dǎo)抗性直接表達(dá)，或激活轉(zhuǎn)基因抗性的表達(dá)；不過也有研究認(rèn)為，水楊酸和甲哌鋪處理不能明顯地影響轉(zhuǎn)Bt基因棉花頂端嫩葉中Bt殺蟲蛋白的表達(dá)。茶葉作為一種食用植物資源，轉(zhuǎn)基因的安全性將會(huì)受到更多的關(guān)注，茶樹的轉(zhuǎn)基因研究還處于起步階段，但昆蟲取食、機(jī)械損傷、誘抗劑產(chǎn)生的誘導(dǎo)作用是一種溫和的誘導(dǎo)變異過程，如能充分利用誘導(dǎo)作用所產(chǎn)生的基因變化不僅可以提高效率，而且具有更高的安全性。