楊樹對鱗翅目害蟲抗性的研究進展

睢 韡 閆瑞仙 傅利紅 石愛霞

（包頭市園林科技研究所， 包頭 014010）

楊樹屬楊柳科楊屬，是我國各城市生態(tài)綠化和風(fēng)景園林建設(shè)的主要樹種，構(gòu)成了獨特的景觀。 楊樹的大量種植有益于生物多樣性，但大面積的單一人工林構(gòu)成的人工生態(tài)環(huán)境具有不可避免的脆弱性，其中病蟲害的頻發(fā)就是表現(xiàn)之一。 據(jù)調(diào)查，在我國，對楊樹造成危害的昆蟲有300 多種，每年約有1/4 的人工林受到食葉害蟲的損害，鱗翅目昆蟲因其幼蟲的暴食性和成蟲的遷飛性，常對楊樹特別是在早期生長階段造成巨大的危害，通過重復(fù)為害嚴(yán)重影響楊樹對氮元素的吸收、碳水化合物的合成和根的數(shù)量，破壞了城市景觀效果。

長期以來，園林植物病蟲害都是選擇化學(xué)藥劑來進行防治，主要是一些天然或合成的化學(xué)制劑，農(nóng)藥長期不合理使用已經(jīng)導(dǎo)致一系列的副作用，解決因農(nóng)藥造成的環(huán)境污染和健康威脅問題已經(jīng)迫在眉睫；生物殺蟲劑環(huán)境友好，靶標(biāo)性強，但楊樹高大，噴施藥劑防治食葉害蟲時不易操作，尤其在人口密集的城鎮(zhèn)，噴施作業(yè)還可能會給群眾造成一定的心理恐慌。 這些問題的存在，迫使我們從楊樹的抗蟲性方面去尋找新的途徑來控制害蟲的發(fā)生。

1 天然抗性的鑒定

鱗翅目害蟲對楊樹的天然抗性差異表現(xiàn)為種間差異和種內(nèi)變異：種間差異是不同或同種害蟲對不同的楊樹品種的嗜好性不同，如楊白潛葉蛾和典皮夜蛾偏好為害歐美楊（P. euramericana）[1，2]，楊扇舟蛾和楊二尾舟蛾對銀中楊（P. alba × P. berolinensis）不造成危害[3]，意楊（P. canadensis）對黃刺蛾的抗性強于美洲黑楊（P. deltoids）[4]等，楊樹葉片可溶性糖含量越高、水含量越低，越會受到害蟲的青睞[5]；種內(nèi)變異是對同一楊樹品種的不同無性系的為害程度的不同，在無性繁殖技術(shù)成熟推廣的今天，這種抗性差異也尤為明顯，評價標(biāo)準(zhǔn)也是多種多樣：若以食葉量為準(zhǔn)[6]，則發(fā)現(xiàn)舟蛾Clostera cupreata 對美洲黑楊的不同無性系的取食量不同，而在高抗的12 個品種中，只有3 個品種可在當(dāng)?shù)厣L；若以蛹重和幼蟲生長歷期為指標(biāo)[7]，則其抗性差異評價與以食葉量為指標(biāo)的結(jié)果略有不同。 楊樹的不同品種（無性系）對鱗翅目害蟲天然抗性的差異與葉片化學(xué)物質(zhì)的含量和比例相關(guān)，在高瑞桐等[8]的研究中，發(fā)現(xiàn)對楊扇舟蛾抗性更差的72 楊 （Populur×euramaricana cv. I-72/58）中葡萄糖、天門冬酸、單寧水解酸、必需氨基酸含量均高于抗性更強的毛白楊（P. tomentosa），雖然72楊中也含有相對于毛白楊更多的對楊扇舟蛾生長不利的化學(xué)物質(zhì)，但氨基酸、單寧酸、酚酸、糖等占所有化學(xué)物質(zhì)的比例總體居中，所以楊樹中化學(xué)物質(zhì)的比例關(guān)系對抗蟲性強弱也有一定的影響。

2 轉(zhuǎn)抗蟲性基因的遺傳育種

自1986 年首次證實楊樹可以對外源基因進行遺傳轉(zhuǎn)化和表達(dá)后，世界各地就開始了楊樹轉(zhuǎn)基因的研究。 目前已有3 類抗蟲基因應(yīng)用于楊樹轉(zhuǎn)基因研究中，為蘇云金桿菌毒蛋白基因（Bt）、蛋白酶抑制劑類基因（PI）和昆蟲毒素基因，具有對害蟲專一性強，毒殺效果好，對非靶標(biāo)生物安全的特點。 我國的轉(zhuǎn)基因楊樹首獲于1990 年[9]，伍寧豐將Bt 基因轉(zhuǎn)入到歐洲黑楊（P. nigra）中，得到了對鱗翅目昆蟲有毒性的轉(zhuǎn)基因植株。隨后，越來越多的單個抗蟲基因種類應(yīng)用到眾多楊樹品種的轉(zhuǎn)基因研究中，對鱗翅目幼蟲（尤其是高齡幼蟲）的毒殺率達(dá)到80%以上[10-12]。鑒于昆蟲易對單個基因產(chǎn)生耐受性，鄭均寶等[13]首次將兩個不同類型的基因轉(zhuǎn)化到同一株楊樹中，整體同樣保持較高的抗蟲水平。 后來又獲得了許多轉(zhuǎn)雙抗蟲基因楊樹無性系（單倍體），并對其抗蟲性進行了研究，發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度與供試幼蟲死亡率呈正相關(guān)[14]。王桂英等[15]在已有的雙抗基因（Bt-cryⅠ+API）楊樹基礎(chǔ)上，將Bt-cryⅢ基因成功轉(zhuǎn)入741 楊，獲得三抗體轉(zhuǎn)基因楊樹（cryⅠ+ cryⅢ+API），可以同時對美國白蛾和柳藍(lán)葉甲具有專一抗性（cryⅠ專一毒殺鱗翅目，cryⅢ專一毒殺鞘翅目）， 而且雙Bt 株系的抗性水平相比原單Bt 株系要更高。導(dǎo)入同一抗蟲基因的同種楊樹品種的不同系號植株對鱗翅目幼蟲的抗蟲性有一定的差異[16]，這是因為外源基因是隨機插入到原植株的基因組上的，其控制的蛋白表達(dá)受到附近基因表達(dá)控制元件的影響，使得各個株系之間抗蟲蛋白的表達(dá)量存在差異，而呈現(xiàn)出不同的抗蟲性水平[17]。

3 外源化學(xué)物質(zhì)誘導(dǎo)抗性

當(dāng)楊樹遭受昆蟲為害時，會產(chǎn)生誘導(dǎo)抗性的自我保護機制，會阻止害蟲的生長發(fā)育而影響害蟲種群數(shù)量，如分月扇舟蛾取食蟲害處理的美洲黑楊后，幼蟲的各發(fā)育期延長，對食物的利用率下降，死亡率升高[43]。 這種防御是以楊樹的生理生化指標(biāo)變化為標(biāo)準(zhǔn)的，對鱗翅目害蟲而言，楊樹的“化學(xué)防御”——次生代謝產(chǎn)物起著更為關(guān)鍵的作用，次生代謝產(chǎn)物大多是揮發(fā)性物質(zhì)，影響昆蟲對食物的選擇、利用和消化進程，延緩發(fā)育。 合作楊（P. simonii×P. pyrami dalis）被機械損傷或舞毒蛾取食后，葉片中醛、烯、酚類等一些揮發(fā)性物質(zhì)會被誘導(dǎo)出來[44]，這些揮發(fā)物又起到傳遞傷害信息的作用，引起整個受損植株和鄰近植株酚酸含量發(fā)生變化。所以，通過篩選對害蟲有強烈毒害作用的次生代謝產(chǎn)物代替化學(xué)藥劑來防治害蟲，對提高植株自身保護具有重要意義，成為抗蟲性研究的重要內(nèi)容。

表1 我國已獲得的具有抗蟲性的楊樹品種（無性系）

3.1 茉莉酸

茉莉酸（JAs）是一種植物激素，存在于多種高等植物中。 內(nèi)源JAs 的增加是通過食葉害蟲的取食行為實現(xiàn)的，外源JA 和MeJA 的抗蟲效果是間接通過誘導(dǎo)楊樹產(chǎn)生次生代謝物質(zhì)起到毒殺作用的， 如通過外源JA 的處理可使青楊（P. cathayana）對舞毒蛾產(chǎn)生明顯抗性，表現(xiàn)為發(fā)育歷期延長、體質(zhì)量降低等，這種抑制作用對老熟幼蟲尤其明顯[45]，還能增強舞毒蛾核型多角體病毒（LdNPV）對舞毒蛾的抑制作用[46]。 外源JAs 的應(yīng)用可以誘導(dǎo)楊樹葉片內(nèi)多種與抗蟲性相關(guān)的防御基因的表達(dá)，導(dǎo)致代謝的重新構(gòu)建，產(chǎn)生防御蛋白和次生物質(zhì)，形成防御結(jié)構(gòu)[47]。 外源JA 和MeJA 分別處理青楊和合作楊葉片后，葉片中過氧化物酶（POD）、多酚氧化酶（PPO）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）、脂氧合酶（LOX）、胰凝乳蛋白酶抑制劑（CI）、胰蛋白酶抑制劑（TI）活性顯著增加[45，48]，而POD、PPO 和PAL 活性的增加直接導(dǎo)致了木質(zhì)素、黃酮、酚酸類物質(zhì)含量增加[49]，且酚酸類物質(zhì)（以單寧酸和綠原酸為主）在楊樹抗蛾類的機制中有著重要的作用[50]，單寧、黃酮含量與楊樹被害率呈負(fù)相關(guān)[51]；外源JA 的處理也使得青楊葉片的蛋白質(zhì)、可溶性糖類含量顯著降低[49]，使得舞毒蛾得不到充足的能量來源，進一步影響其生長發(fā)育和繁殖行為。相似的結(jié)果也在外源JA 處理對美洲山楊（P. tremuloides）[52]、合作楊[53，54]中得到驗證。

3.2 水楊酸（SAs）

水楊酸（SA）是一種酚類化合物，在雙子葉和單子葉植物中廣泛存在，水楊酸甲酯MeSA 可作為氣傳信號使楊樹的抗蟲性提高，成為楊樹的另一防御反應(yīng)誘導(dǎo)因子。 趙玲等[55]通過MeSA 熏蒸黑楊葉片，證明了MeSA 可誘導(dǎo)黑楊對楊扇舟蛾的抗性，表現(xiàn)為幼蟲體重降低、發(fā)育歷期延長、食物利用率和營養(yǎng)代謝能力的下降等，但未對黑楊葉片的相關(guān)酶活性和營養(yǎng)成分含量進行測定，所以對MeSA 誘導(dǎo)黑楊抗蟲性的機制尚不清楚。

4 討論

4.1 關(guān)于楊樹轉(zhuǎn)抗蟲基因

楊樹因其易無性繁殖、易離體操作、基因組小、易鑒定和克隆基因等優(yōu)點，經(jīng)過多年的發(fā)展，楊樹成為了林木轉(zhuǎn)基因工程的模式植物，人們現(xiàn)在已經(jīng)能穩(wěn)定獲得遺傳轉(zhuǎn)化有單個或多個抗蟲基因的楊樹幼苗植株，但外源抗蟲基因并非能轉(zhuǎn)入到所有的楊樹品種，目前已獲得轉(zhuǎn)基因株系的楊樹品種集中在黑楊派（歐美楊、美洲黑楊等）和白楊派（毛白楊、新疆楊等），但無法轉(zhuǎn)入到北京楊（P. beijingensis）、青楊和群眾楊（P. populeris）[9]等青楊派、大葉楊派品種中，也未見胡楊派轉(zhuǎn)基因的相關(guān)報道，可能與抗蟲基因與楊樹的基因型之間的親和性有一定的關(guān)系。

通常楊樹抗蟲性的研究均通過室內(nèi)飼蟲試驗，根據(jù)幼蟲死亡率確定轉(zhuǎn)基因楊樹的抗性水平，獲得了理論上比較有力的數(shù)據(jù)支持。 田間試驗結(jié)果證明轉(zhuǎn)基因楊樹對靶標(biāo)害蟲具有明顯的抗性，且對非靶標(biāo)生物沒有明顯的毒害作用[56]。 一般高抗株系更加受到重視，而在實際應(yīng)用轉(zhuǎn)基因楊樹時，建議選擇含有多種抗蟲基因和不同抗性水平的轉(zhuǎn)基因株系，營造混交林，將大大有利于維護生態(tài)系統(tǒng)的平衡和生物多樣性[57]。楊樹的生長周期較長，且在自然生態(tài)系統(tǒng)和城市綠化建設(shè)中占有主導(dǎo)地位，所以在全面應(yīng)用轉(zhuǎn)基因楊樹之前，應(yīng)長期進行轉(zhuǎn)基因楊樹外源基因的穩(wěn)定表達(dá)研究和對生態(tài)安全的影響評價。

4.2 關(guān)于外源化學(xué)物質(zhì)的誘導(dǎo)抗性

對楊樹施用JAs、SAs 等外源化學(xué)物質(zhì)對害蟲具有顯著的影響，但JAs、SAs 本身具有很強的揮發(fā)性，室內(nèi)檢測尚可得到準(zhǔn)確的結(jié)論，若在田間處理時易受到溫度、濕度等天氣因素的影響，很大程度上會影響這些外源化學(xué)物質(zhì)的處理效果，這對尋找JAs、SAs 誘導(dǎo)楊樹抗蟲性的合理濃度范圍造成了一定的阻礙。另外，目前的研究僅應(yīng)用單一種類的外源化學(xué)物質(zhì)來誘導(dǎo)楊樹抗性，大多數(shù)研究認(rèn)為，JAs 與SAs存在拮抗作用，但二者在誘導(dǎo)植物防御反應(yīng)中又表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)[58]，能否同時應(yīng)用多種植物激素誘導(dǎo)楊樹抗性值得進一步的研究。

昆蟲取食行為可視為對植物的一種逆境脅迫，除JA 和SA 外，脫落酸（ABA）也是一種重要的與環(huán)境脅迫密切相關(guān)的植物激素，尚未在楊樹抗性上有所研究和應(yīng)用。 ABA 與JA 在結(jié)構(gòu)、生理作用上類似，當(dāng)植物遭到逆境時，體內(nèi)的JAs 和ABA 含量均明顯增加[59]，且外源ABA 能夠誘導(dǎo)某些外源JAs 不能誘導(dǎo)的逆境脅迫相關(guān)的蛋白的表達(dá)[60]，應(yīng)用外源ABA 能否誘導(dǎo)楊樹抗蟲性，或能否可能彌補JAs 或SAs 誘導(dǎo)抗性的局限性，也是值得探索的問題。