林木抗蟲性研究進展*

李 薇 李淑嫻

(1. 南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，江蘇 南京 210037；2. 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037)

我國現(xiàn)有人工林面積達6 169萬hm2[1]，大面積純林較容易受到蟲害的威脅，蟲害一直是制約農(nóng)、林作物高產(chǎn)、優(yōu)產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的重要因素，這種現(xiàn)象對發(fā)展中國家的造成的損失更加嚴(yán)重，因此抗蟲性研究在我國具有重要的生產(chǎn)意義?？瓜x性強也是林木育種和造林生產(chǎn)的重要指標(biāo)之一。隨著化學(xué)農(nóng)藥對環(huán)境的污染以及害蟲抗藥性的加強，選育對目的害蟲具有高抗性的林木新品種越來越受到人們的重視。

1 林木抗蟲性的鑒定及分級標(biāo)記方法

1.1 林木抗蟲性定義及鑒定

林木抗蟲性體現(xiàn)在林木與昆蟲相互作用的整個過程中，林木抗蟲性狀由遺傳決定，也會受到林木自身的生物、物理和化學(xué)因子的影響，可對昆蟲行為和生物化學(xué)等功能產(chǎn)生負(fù)面影響，機械損傷和蟲害入侵也可以誘導(dǎo)林木的抗蟲性發(fā)揮防御作用[2-3]。從林木對害蟲負(fù)面作用的性質(zhì)，可將抗蟲性分為真性抗性 (令害蟲種群趨于消亡，包括拒蟲性、殺生性、抗生性) 和假性抗性 (令害蟲種群增長受到一定的抑制，包括擬抗蟲性、抑制性、抗生性、耐害性) 2種[4-5]。

林木對昆蟲的抗性影響級數(shù)取決于對昆蟲的敏感性及外界干擾的強弱。林木的物候現(xiàn)象也會對昆蟲的抗蟲性產(chǎn)生影響，選育物候期非同步的林木可以作為病蟲害綜合治理的一種途徑，掌握林木抗蟲性的概念對于鑒定對害蟲具有高抗性的林木具有理論指導(dǎo)意義。林木抗蟲鑒定是抗蟲育種的重要環(huán)節(jié)，田間調(diào)查和人工接蟲是2種抗蟲鑒定的主要方法。就林木而言，田間調(diào)查的影響因素較多，而人工接蟲技術(shù)由于具有可快速測定林木的抗蟲性、縮短研究周期、提高測定結(jié)果可信度的特點，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用。人工接蟲技術(shù)包括大田篩選法[6]、大田籠罩法[7]、溫室篩選法[8]套籠接蟲、室內(nèi)離體接蟲和網(wǎng)室接蟲等方法[9-11]；人工接蟲實驗過程中需要考慮供試材料及昆蟲特性；抗蟲測定中，接蟲數(shù)量、雌雄蟲比例、參試樹木年齡、規(guī)格以及接蟲環(huán)境等也都是需要考慮的因素。

1.2 林木抗蟲性的分級標(biāo)記方法

傳統(tǒng)抗蟲性分級是根據(jù)經(jīng)驗將其粗分成不同等級，如在楊樹 (Populus) 抗楊圓蚧 (Quadraspidiotusgigas)、梨圓蚧 (Quadraspidiotuspemiciosus) 的研究中，周茂建[12]將抗蟲性粗分為3個等級：Ⅰ級，寄主抗蟲性較強，害蟲寄生率低并且不易在該樹上擴展蔓延；Ⅱ級，中等抗性，樹木被害后樹勢衰弱，但不易枯死；Ⅲ級，寄主抗性弱，受害率高，受害后易枯死。黃金水等[13]在木麻黃 (CasuarinaequisetifoliaForst.) 的抗蟲性研究中，以有蟲株率為指標(biāo)，采用聚類分析將不同種源木麻黃的抗蟲性分為高抗、中抗、高感和中感4大類群。也有學(xué)者在對楊樹的抗蟲性測定中，依據(jù)被害率、刻槽數(shù)等指標(biāo)進行模糊聚類分析、顯著性檢驗，將楊樹抗蟲性分成免疫、高抗、抗性、感蟲和高感5個等級[14]。上述2項研究結(jié)合了統(tǒng)計學(xué)手段，因而分級更為科學(xué)合理。由于抗蟲性測定受環(huán)境因素的影響比較大，并且抗蟲性是樹木與害蟲的互作，測定過程不僅要考慮樹木對害蟲的作用，還需要兼顧害蟲對樹木的作用。基于這一理念，秦飛等[15]提出了一套新的抗蟲性分級方法，并給出了抗蟲力(R)和耐害力 (T) 的具體計算或分級方法。以上方法測定的抗蟲性均為不連續(xù)特級，而林木的抗蟲性狀通常表現(xiàn)為典型的數(shù)量性狀。在前人研究基礎(chǔ)上，陳輝等[16]提出“抗性指數(shù)”的概念，實現(xiàn)了抗蟲性的量化描述。

總體來講，目前林木抗蟲性分級評價方法還沒有系統(tǒng)化，研究內(nèi)容僅局限于少量品種的選擇及相關(guān)指標(biāo)的測定，不同研究的評價結(jié)果缺乏可比性。如何構(gòu)建符合林業(yè)特點的林木抗蟲性科學(xué)分類評價體系，仍是一個需要加強研究的課題。

2 林木抗蟲性的表現(xiàn)方式

林木與昆蟲長期互作，協(xié)同進化，林木對植食性昆蟲的防御機制可分為組成型抗性和誘導(dǎo)型抗性。其中組成型抗性由遺傳決定，是在林木體內(nèi)始終起作用的阻礙害蟲取食的物理或化學(xué)因子，而誘導(dǎo)性防御則是由于機械損傷、植食性昆蟲取食及病原菌侵染等引起的類似于免疫應(yīng)答的反應(yīng)，使林木體內(nèi)產(chǎn)生一些可防御害蟲取食的次生代謝物質(zhì)[17]。2種物質(zhì)基礎(chǔ)一致，均涉及植物形態(tài)、營養(yǎng)物質(zhì)、次生代謝化合物積累對昆蟲取食的影響。下面簡要介紹林木對昆蟲的防御形式。

2.1 組成性防御

組成性防御包括物理防御和化學(xué)防御2種。在長期的進化過程中，林木形成了多種防御害蟲入侵的外部形態(tài)特征(絨毛、蠟質(zhì)、葉表皮組織骨化、硅化)和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)(石細(xì)胞含量，樹皮和木質(zhì)部硬度，纖維素及木質(zhì)素含量、導(dǎo)管結(jié)構(gòu)和形態(tài)和木栓層的厚度以及內(nèi)含物組成)都可以影響害蟲取食和刻槽產(chǎn)卵[18]，這些結(jié)構(gòu)是對害蟲進行物理防衛(wèi)的第一道屏障，其輕微變化可能改變植物的適口度，從而影響昆蟲的行為和生長發(fā)育。奧利維爾甲蟲 (Paropsisatomaria) 初孵化的幼蟲只能取食桉樹 (Eucalyptusrobusta) 非常幼嫩的葉片[19]；除去柳樹 (Salixbabylonica) 嫩葉的絨毛則有利于柳藍葉甲幼蟲 (Plagioderaversicolora) 的取食[20]；針葉樹篩管絲團中混有的草酸鈣晶體可有效抵抗樹皮甲蟲[21]；美國西部白松 (Pinusbungeana) 對象鼻蟲 (Elaeidobiuskamerunicus) 的抗性較東部強，主要是由于前者外皮層樹脂道數(shù)量更多[22]。

對比物理防御，化學(xué)防御在組成性防御中起到更為重要的作用。二者共同影響昆蟲的行為、生長發(fā)育和繁殖，而化學(xué)防御主要涉及林木的初級營養(yǎng)物質(zhì)和次生代謝產(chǎn)物的參與。

2.1.1植物初級營養(yǎng)物質(zhì)對抗蟲性的影響

不同生境和樹齡及植株個體的不同組織，在營養(yǎng)成分含量及組成上往往存在顯著差異。昆蟲的生長發(fā)育與繁殖受林木營養(yǎng)物質(zhì)種類和質(zhì)量影響。有研究表明，糖類物質(zhì)的種類不同對昆蟲的影響也不同，可溶性糖含量增高，有利于昆蟲的存活和生長發(fā)育[23]。高含量的半乳糖和蔗糖可能延緩人工飼料喂養(yǎng)昆蟲的生長。白樺 (Betulaplatyphyll) 葉片中這2種糖含量也與昆蟲生長呈負(fù)相關(guān)，毛白楊 (Populustomentosa) 無性系樹皮內(nèi)總糖含量高時抗蟲性較差[24]。蛋白質(zhì)也是昆蟲生長和發(fā)育的基本物質(zhì)，樹皮含氮物質(zhì)中蛋白質(zhì)類所占的比例高，木質(zhì)部碳水化合物含量較低有利于幼蟲取食[25]。

2.1.2次生代謝產(chǎn)物對抗蟲性的影響

植物長期進化其體內(nèi)會合成種類豐富的次生代謝產(chǎn)物以應(yīng)對生物和非生物脅迫，其合成和分布具有種屬、器官、組織及生長發(fā)育時間特異性。植物的次生代謝物主要包括萜烯類 (如揮發(fā)物，苷類物質(zhì)，類胡蘿卜素和植物固醇)、酚類 (如酚酸類、香豆素類、木質(zhì)素、芪類黃酮、丹寧酸和木質(zhì)素) 和含氮化合物 (如生物堿和芥子油苷)。林木抗蟲次生代謝物研究中，尤以對酚類化合物、類萜化合物和生物堿類化合物的研究更為普遍，這些次生代謝產(chǎn)物對害蟲的效應(yīng)主要表現(xiàn)在誘集作用、驅(qū)避作用、拒食作用、毒殺作用、發(fā)育抑制作用及不育作用[26]等。值得注意的是，有些次生代謝產(chǎn)物需要特定營養(yǎng)物質(zhì)的協(xié)同反應(yīng)才能發(fā)揮抗蟲作用，如沒食子酸只有在特定蛋白質(zhì)存在且取食對象碳水化合物比例適當(dāng)?shù)那疤嵯拢艜认x (Tetrigoidea) 有防御作用[27]。當(dāng)然，植物更多的是通過物理與化學(xué)防御的共同作用抵御昆蟲侵害，如有些林木葉片具有分泌次生代謝物質(zhì)的毛狀體，毛狀體和次生代謝產(chǎn)物共同對取食昆蟲起防御作用。

2.2 誘導(dǎo)性防御

誘導(dǎo)性防御是樹木受到機械損傷或者昆蟲取食后激發(fā)自身基因調(diào)控表達以減輕傷害的一種誘導(dǎo)防御途徑[28]。經(jīng)過長期進化，樹木可以識別昆蟲取食、機械傷害并產(chǎn)生不同的響應(yīng)策略。昆蟲取食時，會激發(fā)植物一系列復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生大量的防御蛋白和次生代謝產(chǎn)物，這些產(chǎn)物會參與到植物與昆蟲的互作過程中。誘導(dǎo)性防御是保守、多層次、高度密集的防御系統(tǒng)，對大范圍的病菌和害蟲防御具有廣譜有效性、系統(tǒng)性、持續(xù)性、傳遞性和動態(tài)性特點[27]。林木的誘導(dǎo)性防御主要包括可誘導(dǎo)的化學(xué)防御、可誘導(dǎo)的蛋白防御、可誘導(dǎo)的解剖學(xué)防御、可誘導(dǎo)的生態(tài)或者間接防御及可誘導(dǎo)的植株個體防御等5大類型。

2.2.1可誘導(dǎo)的化學(xué)防御

主要指一些有毒的、抗菌的、抑制營養(yǎng)吸收或消化的低分子量酚類、萜類及生物堿類物質(zhì)，Delvas等[29]在白云杉 (Piceaglauca) 對云杉蚜蟲 (Aphidoidea) 抗性研究中發(fā)現(xiàn)，抗蟲植株受到取食后，酚類化合物中pungenol和piceol合成量顯著增加，使云杉蚜蟲幼蟲取食受到顯著影響。Fang等[30]發(fā)現(xiàn)天牛的取食促進了抗蟲楊樹水楊酚苷類、柳皮苷和美洲黑楊苷的合成，這些物質(zhì)對天牛幼蟲生長發(fā)育有不同程度的抑制作用。

2.2.2可誘導(dǎo)的蛋白防御

主要涉及一些有毒、抗菌、抑制生長或者營養(yǎng)吸收的氧化水解酶和蛋白抑制劑?？剐缘鞍准易迨且环N可溶性的與昆蟲或病原菌抑制相關(guān)的蛋白，現(xiàn)在已有17種以上抗性蛋白家族的防御功能已被闡明，如PR-3蛋白家族具有破壞真菌細(xì)胞壁及細(xì)胞膜的作用，而PR-6蛋白家族則被發(fā)現(xiàn)可作為線蟲和植食性昆蟲消化酶的抑制劑，機械損傷及昆蟲取食后會導(dǎo)致蛋白酶抑制劑、半胱氨酸蛋白酶、凝集素、脂肪氧化酶及多酚氧化酶的富集和積累[31]。這些蛋白屬具有毒性，有的則能導(dǎo)致昆蟲拒食[32]。特定的多酚氧化酶可以明顯減少昆蟲氨基酸吸收，其分子基礎(chǔ)是通過催化酚類物質(zhì)氧化變?yōu)轷惢衔?，該類化合物再與昆蟲腸道蛋白交聯(lián)從而抑制昆蟲消化[33]。

2.2.3可誘導(dǎo)的解剖學(xué)防御

指植物由于創(chuàng)傷誘導(dǎo)產(chǎn)生的機械或者結(jié)構(gòu)障礙，如松屬 (Pinus) 和柏屬 (Platycadus) 植物篩管和韌皮部受到創(chuàng)傷后，會形成創(chuàng)傷性樹脂道，并且在受傷后的2～3周內(nèi)持續(xù)有樹脂和萜類物質(zhì)合成[34]，抵抗天牛 (Cerambycidae) 侵入到篩管和韌皮組織中[35]。

2.2.4可誘導(dǎo)的生態(tài)或者間接防御

有的植物在受到害蟲取食后，會產(chǎn)生形態(tài)修飾及化學(xué)修飾，或分泌一些吸引害蟲天敵的物質(zhì)，這種間接防御是利用宿主-昆蟲-天敵的取食關(guān)系實現(xiàn)的。如北美香柏 (Thujaoccidentalis) 的根部受到黑象甲幼蟲侵害時，會釋放乙酸葉醇酯來吸引其天敵桿線蟲 (Ceanorhabditiselegans)[36]。作為一種信息素物質(zhì)，VOCs不僅能引發(fā)未損傷的部位和未受害的植株產(chǎn)生防御性反應(yīng)，還有助于招募昆蟲天敵和寄生蟲起到間接防御的作用[37]。有研究表明來自于亞油酸衍生途徑的揮發(fā)性有機化合物 (VOCs) 可以促進茉莉酸甲酯途徑中幾個參與防御的基因，如查爾酮合成酶 (CHS)，丙二烯氧化物合酶 (AOS)，過氧化氫酶 (HPL) 和脂肪酸合成酶 (LOX2) 的表達，參與到抗蟲防御過程中[38]。

2.2.5可誘導(dǎo)的植株個體防御

植株可以增強新陳代謝或光合作用的能力來減輕病蟲傷害，提高其的耐蟲性。蟲害發(fā)生時，植株會通過上調(diào)未受害葉片的光合速率[39]、增加葉面積、改變植株地上和地下部分光合產(chǎn)物分配模式等方式，主動提高植株對突發(fā)病蟲害的耐受力。

3 植物抗蟲性相關(guān)的信號傳遞途徑

植食性昆蟲可以通過不同種取食途徑從宿主中獲得營養(yǎng)物質(zhì)，植物在與昆蟲作用的過程中進化出了多種不同的防御機制，如合成一些有毒的代謝產(chǎn)物及蛋白破壞昆蟲的生理功能，或分泌一些可以吸引昆蟲天敵的物質(zhì)，這些高度復(fù)雜的防御機制起始于植物細(xì)胞膜上各種效應(yīng)器對昆蟲口器分泌物的識別，其后受損的植物細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度增加，細(xì)胞膜電化學(xué)梯度變化，絲裂原活化蛋白激酶 (MAPK) 的激活和蛋白質(zhì)磷酸化反應(yīng)，還原型輔酶II (NADPH) 氧化酶及氧化還原物質(zhì)的釋放，這些細(xì)胞內(nèi)信號分子級聯(lián)化反應(yīng)會導(dǎo)致茉莉酸 (JA) 楊酸 (SA) 途徑、乙烯 (ET) 等信號途徑的一些參與防御的基因表達及VOCs的釋放[40]。

3.1 JA途徑

JA途徑是進化上相對保守的、非特異性即廣譜性的昆蟲防御機制。機械損傷或昆蟲取食會造成創(chuàng)傷處短時間的JA積累，JA合成的底物a-亞麻酸 (α-LeA) 由葉綠體的半乳糖脂膜中磷脂釋放，隨后a-亞麻酸被脂肪酸氧化酶 (LOX) 氧化為 (1, 3)-氫-氧-亞麻酸 (13-HPOT)[41]，它被重新排列和環(huán)化，由丙二烯氧化酶 (AOS、AOC) 氧化，生成12-氧-植物二烯酸 (OPDA)。OPDA隨即轉(zhuǎn)移至過氧化物酶體中，在經(jīng)過12-氧-植物二烯酸還原酶基因 (12-oxophytodienoate reductase) 多次氧化后，生成了JA (如圖1)。JA在接下來的酶促反應(yīng)中又可以生成一系列派生物如MeJA和JA-Ile等。這些派生物在信號傳導(dǎo)過程中起重要的調(diào)控作用，如JA-Ile的劑量變化可以調(diào)控泛素化調(diào)節(jié)蛋白SCFCOI1與茉莉酸途徑轉(zhuǎn)錄因子抑制蛋白JAZ的結(jié)合。在健康未受損傷的葉片中，JA-Ile的濃度較低，低濃度的JA-Ile會允許JAZ結(jié)合到轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)來抑制下游防御基因表達[42]。而當(dāng)葉片受到侵害時，JA-Ile快速積累促進了JAZ和SCFCOI1的結(jié)合，使JAZ被降解失去抑制活性，促使下游防御基因表達 (如圖2)。

圖1JAZ合成及其派生物形成圖
Fig.1 JAZ synthesis and biological formation pathway

圖2JAZ調(diào)控的茉莉酸信號途徑模式圖
Fig.2 The JAZ repressor model of jasmonate signaling pathway pattern

最新的研究表明COI1-JAZ通路具有組織表達和時空特異性，Mao等[43]通過比較14 d與26 d的擬南芥 (Arabidopsisthaliana) 植株，發(fā)現(xiàn)成熟的植株對鱗翅目 (Lepidotera) 昆蟲表型出較強耐受力，其體內(nèi)茉莉酸途徑相關(guān)的參與抗性防御合成的基因表達量減弱，這說明茉莉酸防御水平隨著植株成熟表現(xiàn)出衰減變化，茉莉酮酸酯反應(yīng)也被SPL9和植株年齡反向調(diào)控。進一步的研究表明，SPL9能與JAZ家族分子 (JAZ1/3/4/6/10/11/12) 直接相互作用，而SPL9-JAZ的相互作用與COI1-JAZ的相互作用之間存在著競爭關(guān)系，并且SPL9分子能使JAZ分子更加穩(wěn)定的結(jié)合在轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)[44]。研究還發(fā)現(xiàn)，在信號輸出的精細(xì)調(diào)控中，在組織和器官水平層面進行空間調(diào)控是茉莉酮酸酯信號通路途徑另一個非常重要的因素。已有許多研究顯示其是以組織特異性的方式進行精細(xì)調(diào)控，如NINJA主要在植物根部發(fā)揮功能[45]，茉莉酸途徑可以激活根部的轉(zhuǎn)錄因子EIN3，但是在黃化幼苗頂端組織卻是起抑制作用[46]。此外，JA信號途徑又可以通過通用轉(zhuǎn)錄因子ORA59、MYC2分別與乙烯和脫落酸 (ABA) 通路進行信號交聯(lián)，微陣列的結(jié)果顯示有41種JA響應(yīng)基因參與到乙烯、水楊酸信號傳遞途徑中，因此JA與這些通路之間存在著交叉交流[47]。

由于林木適合研究的突變體較少，目前林木的誘導(dǎo)防御信號途徑還主要借鑒模式植物和作物的研究結(jié)果，施加同樣外源信號誘導(dǎo)因子可以引發(fā)林木的誘導(dǎo)防御反應(yīng)，如JA的施用可以提高松樹防御象鼻蟲的能力[35]，在挪威云杉上噴施MeJA可以誘導(dǎo)其樹脂道中萜類物質(zhì)的積累以有效應(yīng)對甲蟲的危害[48]。噴施一定濃度的MeJA后，棗樹 (Ziziphusjujube) 誘導(dǎo)抗蟲性增強[49]，構(gòu)杞 (Lyciumbarbarum)、青楊 (Populuscathayana) 葉內(nèi)防御蛋白酶活性顯著增加[50]。

3.2 水楊酸途徑

近年來水楊酸(SA)途徑也被公認(rèn)為植物抵御昆蟲、病原菌等的重要內(nèi)源信號通路，可誘導(dǎo)多種煙草 (Nicotianatabacum)、玉米 (Zeamays)、擬南芥植物對生物與非生物脅迫產(chǎn)生持續(xù)抗性。近期的研究還發(fā)現(xiàn)SA途徑在生物應(yīng)激反應(yīng)中還參與了氣孔的關(guān)閉過程[51]。

SA作為胞內(nèi)信號分子能夠參與到植物的抗性反應(yīng)中，尤其在防御病原微生物侵害時，會引起PAMPs和效應(yīng)物觸發(fā)的免疫應(yīng)答反應(yīng)。作為外源信號分子，SA早已被確定為系統(tǒng)獲得性抗性 (SAR) 的化學(xué)誘導(dǎo)劑[52]。SA會在葉綠體中誘導(dǎo)合成,其底物分支酸通過異分支酸合成酶合成，而分支酸是受生物脅迫后誘導(dǎo)莽草酸酯途徑合成的主要成分之一。大多數(shù)病原菌誘導(dǎo)的SA是由糖化UDP-葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶形成無毒的SA 2-O-β-D-葡萄糖苷，游離在液泡里形成一個速效的SA的來源。

SA被修飾后的產(chǎn)物可以為植物防御反應(yīng)賦予生物特異性功能，其中水楊酸甲酯 (Me SA) 作為一個長距離信號分子與其共同作用來誘導(dǎo)SAR，被認(rèn)為是植物長距離SAR信號之一，同時也是SA在韌皮部中的運輸形式。植物受到侵染后產(chǎn)生的SA被苯甲酸/水楊酸羧甲基轉(zhuǎn)移酶1轉(zhuǎn)化產(chǎn)生Me SA；當(dāng)Me SA被運輸至遠(yuǎn)端植物組織后，與SA結(jié)合蛋白2 (SABP2) 相結(jié)合，SABP2具有酯酶活性，其催化Me SA重新生成SA，從而誘發(fā)SAR。這說明，SABP2作為SA的結(jié)合蛋白以及其SABP2的酯酶活性在植物SAR發(fā)生及發(fā)展過程中是無可或缺的[53]。

SA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑轉(zhuǎn)導(dǎo)過程包括SA首先與SA結(jié)合蛋白 (SABPs) 結(jié)合，SA-SABP0復(fù)合體將信息傳遞給胞內(nèi)第二信使，如H2O2等，信號通過自我反饋機制放大后在胞內(nèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)引發(fā)過敏反應(yīng)，同時引起胞內(nèi)氧化還原態(tài)改變，激活NPR1, TGA和WRKY等轉(zhuǎn)錄因子的活化與互作，最終誘導(dǎo)抗性PR基因、苯丙氨酸解氨酶關(guān)鍵酶和β-1, 3-葡聚糖酶及SAR的產(chǎn)生[54](圖3)。

圖3植物水楊酸介導(dǎo)的相應(yīng)生物脅迫信號途徑
Fig.3 The salicylic acid-mediated biotic stress signaling in plants

目前最新的SA通路研究主要集中在利用一些生物化學(xué)、基因工程技術(shù)或者微陣列技術(shù)發(fā)現(xiàn)一些未知的SA-結(jié)合蛋白，為進一步確認(rèn)整個信號通路中各組分及其功能打下基礎(chǔ)?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的新的一些SA結(jié)合蛋白包括過氧化氫酶、碳酸酐酶、甲基水楊酸酯酶、硫代磷酸酶、甘油醛3-磷酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶等。SABP的作用機制是通過對SA的結(jié)合來抑制其的過氧化氫酶活性，導(dǎo)致了細(xì)胞內(nèi)活性氧濃度的積累使防御蛋白的活化發(fā)揮功能。Tripathi等[55]指出轉(zhuǎn)基因煙草過表達過氧化氫酶導(dǎo)致植物體內(nèi)活性氧分子水平降低表現(xiàn)出對煙草花葉病毒的敏感性。

NPR (nonexpresser of PR genes) 也是一種重要的SA-結(jié)合蛋白，也是SAR的主要調(diào)控者。受到SA誘導(dǎo)后NPR1蛋白以復(fù)雜的低聚物形態(tài)轉(zhuǎn)化成單體蛋白，還原勢升高，連接NPR1低聚物的82、216位半胱氨酸殘基分子之間的二硫鍵會被還原，當(dāng)這2個殘基突變時，NPR1也會變成單體，釋放出具有完整核定位序列且能轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核內(nèi)的單體NPR1[56]。Ding等[57]發(fā)現(xiàn)，NPR1能與含有亮氨酸拉鏈的轉(zhuǎn)錄因子TGA亞家族和WRKY家族互成員發(fā)生相互作用，可以結(jié)合到PR-1基因啟動子應(yīng)答性SA的as-1元件上，來調(diào)控PR基因表達。

NPR1的旁系同源物NPR3和NPR4是CUL3蛋白泛素和E3連接酶的接頭蛋白，該連接酶能夠根據(jù)SA濃度的高低來特別的標(biāo)記NPR1，從而影響它被26S溶酶體途徑降解，NPR3和NPR4與不同濃度SA結(jié)合會影響其與NPR1的互作來誘導(dǎo)防御反應(yīng)的功能。

SA、JA途徑是植物應(yīng)對脅迫的重要內(nèi)源分子機制。大量研究表明，SA與JA信號途徑之間存在相互拮抗作用，誘導(dǎo)或者施加外源的SA可以激活SA信號途徑，但卻抑制了JA信號響應(yīng)一些應(yīng)答基因如PDF1.2，LOX2和VSP2等基因的表達；SA的激活反應(yīng)使依賴于JA途徑防御的植物更容易受到害蟲的侵害，JA對SA途徑也有相類似的作用。SA主要是通過抑制過氧化氫物脫水酶的活性，該酶可催化JA合成的前體13-HPLA轉(zhuǎn)化成12-O-植物二烯酸，同時還可以抑制PI基因的轉(zhuǎn)錄來抑制JA信號途徑傳遞。JA對SA信號途徑的作用可能是通過抑制SA的生物合成和PR基因的轉(zhuǎn)錄來實現(xiàn)的。隨后的研究證明SA與JA這兩種信號途徑之間存在著協(xié)同效應(yīng)，SA和JA相互的作用結(jié)果取決于兩者相互作用的階段和順序及施加的外源激素的劑量[52]。除了JA、SA途徑以外，ABA、NO和乙烯等激素信號分子也參與其中，各種生理生化機制信號通路是復(fù)雜的，各種信號通路之間的交叉交流形成復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)來協(xié)助植物應(yīng)對非生物的脅迫。

林木與昆蟲互作更為多樣化，且存在蛀干害蟲等特殊蟲害，因此林木可能擁有更為豐富的響應(yīng)害蟲入侵的信號途徑。已有學(xué)者推測林木中有可能存在不同于草本植物的介導(dǎo)防御誘導(dǎo)的信號分子[58]。

4 林木轉(zhuǎn)抗蟲基因育種

轉(zhuǎn)基因作為林業(yè)生物技術(shù)的重要一環(huán)，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于林木抗蟲育種工作中。利用DNA重組手段，可將一些外源的或者人工構(gòu)建的抗性基因?qū)肓帜救旧w中，從而產(chǎn)生具有外源基因表達的轉(zhuǎn)基因抗蟲林木。目前林木的抗蟲基因來源主要包括蘇云金桿菌毒蛋白基因(微生物源)，蛋白酶抑制劑基因、植物凝集素基因、淀粉酶抑制劑基因等(植物源)，蝎毒素基因和蜘蛛毒素基因(動物源)等[59]。常用的轉(zhuǎn)基因方法包括電轉(zhuǎn)化、顯微注射法，脂質(zhì)體介導(dǎo)轉(zhuǎn)化法等，其中農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化和基因槍法是2種試用于林木的轉(zhuǎn)基因方法[60]。

在抗蟲基因研究方面，已在多個樹種上開展了利用分子標(biāo)記構(gòu)建遺傳圖譜，定位克隆控制抗蟲性狀的基因位點的研究，如蘋果(Maluspumila)中對蘋果小卷娥(Laspeyresiapomonella)和桃潛葉娥(Lyonetiaclerkella)抗性位點的基因定位研究[61]。利用簡化基因組測序技術(shù)構(gòu)建遺傳圖譜，對楊樹抗蚜蟲基因位點的定位和分析中，Carletti等[11]發(fā)現(xiàn)其中一個主效QTL位點可以解釋44.1%的遺傳變異；通過目標(biāo)區(qū)間序列解析，找到了楊樹抗蚜蟲的3個候選基因，為抗蚜蟲數(shù)量位點基因克隆打下了基礎(chǔ)。采用多組學(xué)結(jié)合的手段有利于研究者在整個全基因組范圍內(nèi)挖掘抗蟲信號調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及一些參與抗蟲防御的基因和代謝物質(zhì)。王曉麗等比較了感蟲和抗蟲的棉花(Gossypium)品種在受到棉鈴蟲(Helicoverpaarmigera)侵害前后的轉(zhuǎn)錄組和代謝組的信息變化，挖掘到了抗蟲基因，林木在進化過程中可能丟失部分抗性機制，這些優(yōu)良的性狀可能存在于某些野生品種中，育種家需要發(fā)掘有利的抗蟲性狀并且轉(zhuǎn)化于商業(yè)品種中，發(fā)展“綠色化學(xué)”基因工程技術(shù)，生產(chǎn)可誘導(dǎo)的天然殺蟲劑或半化學(xué)制品，倡導(dǎo)林業(yè)抗蟲防御的綜合治理手段。隨著測序技術(shù)的進步和林木遺傳研究的不斷深入，林木抗蟲基因克隆和抗蟲分子育種也將進入一個飛速發(fā)展的時代。最新的研究表明RNA干擾技術(shù) (RNAi)，依賴于雙鏈RNA(dsRNA)引發(fā)的昆蟲體內(nèi)一些重要基因的轉(zhuǎn)錄后基因沉默機制，在作物抗蟲防御方面發(fā)揮重要的功能。一種表達Snf7 dsRNA的轉(zhuǎn)基因玉米的可以有效的起到防御玉米根部免受西部玉米根蟲的侵害，其機理是Snf7 dsRNA可以通過干擾昆蟲的Snf7基因表達來影響其體內(nèi)液泡分選過程從而影響昆蟲取食或者導(dǎo)致其死亡[62]。轉(zhuǎn)基因抗蟲棉攜帶棉鈴蟲分解棉子酚的CYP6AE14基因的dsRNA，可以有效抑制棉鈴蟲分解棉子酚毒性的能力，昆蟲取食轉(zhuǎn)基因抗蟲棉后對其生長不利[63]。此外一些新起的基因編輯技術(shù)如鋅指核酸酶 (ZFN)、轉(zhuǎn)錄激活樣效應(yīng)因子核酸酶 (TALEN) 和成簇規(guī)律間隔短回文重復(fù)序列 (CRISPR/Cas9) 這些反義遺傳學(xué)手段可以均可誘導(dǎo)擬南芥、玉米和水稻等植物基因組缺失突變、特殊序列替換或插入，調(diào)節(jié)基因組內(nèi)特異目標(biāo)位點。目前基因編輯技術(shù)應(yīng)用于林木的實例較少，但是這些技術(shù)手段將有助于我們研究林木有效的抗病蟲害性狀，消除轉(zhuǎn)基因林木篩選標(biāo)記，幫助外源基因穩(wěn)定表達及降低嵌合體和變種的產(chǎn)生概率。

林木抗蟲性狀同木材、開花控制等性狀都屬于多基因控制，因此多基因轉(zhuǎn)化法是轉(zhuǎn)基因抗蟲育種的主要方向。王志斌等[64]利用UNA成熟蛋白基因和人工合成的GFMcryAI，創(chuàng)建雙價基因載體，進行轉(zhuǎn)基因抗棉鈴蟲的實驗，轉(zhuǎn)基因煙草擁有較好的抗蟲效能；Dong等[65]將Cry3Aa基因和CRY1Ac基因構(gòu)建在同一表達載體上，獲得了對鱗翅目和鞘翅目 (Coleoptera) 的雙抗性轉(zhuǎn)基因巨霸楊。雙元載體構(gòu)建方法會導(dǎo)致目的基因沉默且僅適用于小分子量基因的疊加，采用共轉(zhuǎn)化連續(xù)轉(zhuǎn)化法，將不同基因的轉(zhuǎn)基因材料進行有效雜交可以提高轉(zhuǎn)化效率，促進外源基因表達[66]。

外源抗蟲基因植物的表達穩(wěn)定性及遺傳規(guī)律是影響轉(zhuǎn)基因植物應(yīng)用前景的重要因素，在許多情況下目標(biāo)基因插入整合在植物基因組中，會受到外部環(huán)境和植物生長條件的影響，導(dǎo)致外源基因的失活和沉默，從而影響外源基因的表達穩(wěn)定性；此外外源基因還有復(fù)雜的遺傳分離類型。到目前為止，符合孟德爾和非孟德爾遺傳分離方式都有。如玉米、棉花和小麥 (Triticumaestivum) 等作物的 (t1-T3)代；蘋果、楊樹和李樹 (Prunus) 的一些林木品種T1或BC1群體中很多轉(zhuǎn)基因個體的外源基因的遺傳方式都符合孟德爾的分離方式。田間試驗可以獲得轉(zhuǎn)基因植物的外源抗蟲基因的抗蟲效果、遺傳和表達規(guī)則。Ren等[67]將Cry1Ac gene轉(zhuǎn)入741楊樹中，研究發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)抗蟲基因可以穩(wěn)定表達8～10年，通過控制雜交組合的方法研究了外源基因的遺傳方式，轉(zhuǎn)基因株系pb1、pb29和pb11分別與非轉(zhuǎn)基因84 K白楊 (Populustomentosa) 的雜交后代中，BtCry1Ac基因pcr-陽性和pcr-陰性個體的比值分別為1.31、1.15和0.86。X2測試結(jié)果表明，該比率與孟德爾1∶1分離比一致，該抗蟲性狀是由一對純合等位基因控制的，而pb6 × 8 k的雜交后代的抗蟲性狀表型分離比為3∶1。

利用目前的生物科學(xué)技術(shù)在商業(yè)規(guī)模上種植轉(zhuǎn)基因抗蟲林木品種是可行的，但是由于受轉(zhuǎn)基因技術(shù)、嚴(yán)格的管理手段、生物安全和社會經(jīng)濟等各方面的限制，轉(zhuǎn)基因抗蟲林木并沒有得到大規(guī)模商業(yè)化種植。目前適用于林木可攜帶多基因且穩(wěn)定轉(zhuǎn)化的載體較少，特異性啟動子改造后活性并不高，不同林木的高效組培再生系統(tǒng)和基因轉(zhuǎn)化體系還沒有完全建立，抗蟲機理未闡明，挖掘到的抗蟲基因數(shù)目有限，因此今后應(yīng)加強林木轉(zhuǎn)基因抗蟲育種的研究工作。

5 結(jié) 語

林木抗蟲性是多種防御機制的積累及協(xié)同效應(yīng)，是化學(xué)與物理防御方式的結(jié)合，外界因素如機械損傷及蟲害會引發(fā)誘導(dǎo)防御機制，這些作用相結(jié)合共同應(yīng)對生物不利侵害，但現(xiàn)在對林木如何感知及應(yīng)對植食性昆蟲的侵害還遠(yuǎn)未被闡明。以林木為材料，開展鈣離子通路、磷酸化級聯(lián)反應(yīng)、誘導(dǎo)防御信號傳導(dǎo)途徑、反饋調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)及轉(zhuǎn)錄調(diào)控的研究還十分缺乏。昆蟲取食林木會誘導(dǎo)寄主產(chǎn)生防御反應(yīng)，引起林木生理過程的改變，影響其初級代謝過程進而影響林木的抗蟲性。昆蟲取食后對林木光合作用產(chǎn)生何種的影響，光合作用與植物的防御反應(yīng)存在的關(guān)系，將會是今后的一個研究熱點問題。盡管模式植物和作物抗蟲研究的結(jié)果為我們研究林木的抗蟲機制提供了有益借鑒，但林木的抗蟲遺傳基礎(chǔ)和防御機制最終還需要以林木自身為材料開展研究。

分子生物學(xué)的飛速發(fā)展推進了林木分子育種時代的到來，林木抗蟲分子育種也是一個研究熱點。利用重組DNA技術(shù)，將外源抗蟲基因蘇云金桿菌毒蛋白(Bt毒蛋白)基因、蛋白酶抑制劑(PI)基因?qū)肓帜净蚪M，培育出轉(zhuǎn)基因抗蟲林木新品種，現(xiàn)在部分林木轉(zhuǎn)基因抗蟲品種已進入大田實驗階段。開展利用RNAi技術(shù)控制蟲害已經(jīng)成為熱點，與傳統(tǒng)抗蟲蛋白轉(zhuǎn)基因相比，這一技術(shù)更具選擇性和安全性?？瓜x標(biāo)記定位方面目前定位的區(qū)段較大，精細(xì)定位工作需要較大的分離群體，耗時、費力；抗蟲表型鑒定評價標(biāo)準(zhǔn)不一致，因此可以采用全基因組關(guān)聯(lián)分析來檢驗每個遺傳標(biāo)記或標(biāo)記區(qū)間與數(shù)量性狀的關(guān)系，根據(jù)標(biāo)記與目標(biāo)性狀連鎖程度確定各個QTL的效應(yīng)。隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，分子水平研究的逐漸深入，林木抗蟲性研究方法上將進行與分子生物學(xué)、植物生理學(xué)、林木栽培學(xué)以及林木遺傳育種學(xué)等多學(xué)科結(jié)合，林木抗蟲性相關(guān)研究必然會展現(xiàn)出良好的前景。