玉米對(duì)草地貪夜蛾的抗性機(jī)理分析

摘要：草地貪夜蛾對(duì)玉米作物產(chǎn)能及品質(zhì)的影響極大，近年來(lái)已給非洲及亞洲部分地區(qū)帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p失。該文分析了各地區(qū)研究結(jié)果，介紹了玉米對(duì)草地貪夜蛾的抗性機(jī)理，提出綜合多組數(shù)據(jù)分析及種內(nèi)遺傳多樣性確定抗性相關(guān)基因位點(diǎn)的應(yīng)用前景，給草地貪夜蛾防治及植物培養(yǎng)研究提供有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：玉米;草地貪夜蛾;抗性評(píng)估;防治前景

彭云芳. 玉米對(duì)草地貪夜蛾的抗性機(jī)理分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2019，40（14）：89+91.

自2019年草地貪夜蛾入侵中國(guó)至今已有一年時(shí)間，并有向北部地區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)散的趨勢(shì)。為避免更多經(jīng)濟(jì)損失，要加快草地貪夜蛾防治研究，堅(jiān)持預(yù)防為主的原則，盡快完成玉米防治機(jī)理研究。

一、草地貪夜蛾物種概述

草地貪夜蛾是原生于美洲熱帶、亞熱帶地區(qū)的鱗翅目夜蛾昆蟲。2016年該品種入侵到非洲，給當(dāng)?shù)氐募Z食、經(jīng)濟(jì)帶來(lái)極其嚴(yán)重的影響。中國(guó)于2019年1月首次在云南發(fā)現(xiàn)草地貪夜蛾，截至2019年6月中旬，該品種已經(jīng)擴(kuò)散到南方的18個(gè)省份，湖南省也發(fā)現(xiàn)此物種，還有隨季風(fēng)遷徙到華北地區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)。在發(fā)現(xiàn)草地貪夜蛾后，全國(guó)各地研究人員對(duì)草地貪夜蛾開展化學(xué)防治、生物治理、轉(zhuǎn)基因作物保護(hù)、生物種群結(jié)構(gòu)、遷徙路徑等方面的研究。

二、玉米品種對(duì)草地貪夜蛾的抗性分析

與草地貪夜蛾的起源地相同，玉米也來(lái)自美洲熱帶地區(qū)，早在人類對(duì)玉米展開研究前，玉米就實(shí)現(xiàn)了與草地貪夜蛾的對(duì)抗及演化。但是隨著對(duì)玉米的進(jìn)口及基因改造，現(xiàn)今高產(chǎn)、適口的玉米品種中，已失去了原本的基因組，對(duì)于草地貪夜蛾物種的抗性可能已經(jīng)丟失。

植物對(duì)生物的脅迫抗性一般情況下存在產(chǎn)量的平衡關(guān)系，原本抗性較高的品種可能因適口性等原因產(chǎn)能嚴(yán)重不足，不利于玉米經(jīng)濟(jì)發(fā)展。玉米存在較為復(fù)雜的種內(nèi)遺傳，要應(yīng)用育種遺傳技術(shù)提升玉米抗性的同時(shí)保證產(chǎn)能及適口性等農(nóng)藝性狀，需要進(jìn)行長(zhǎng)期的研究與評(píng)估。

20世紀(jì)70-80年代，美國(guó)就開始了玉米草地貪夜蛾的抗性研究，并在1990年應(yīng)用傳統(tǒng)育種方式培育出了抗性品種“Mp708”。伴隨90年代中后期轉(zhuǎn)基因抗蟲品種大規(guī)模種植，草地貪夜蛾給美國(guó)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失逐漸降低，對(duì)新型抗性物種的研究重視程度葉逐年降低。但后期有報(bào)道指出，對(duì)轉(zhuǎn)基因物質(zhì)產(chǎn)生抗性的草地貪夜蛾種群出現(xiàn)，2016年逐漸波及到非洲及亞洲地區(qū)，對(duì)不同玉米品種抗性的研究及后續(xù)培育工作需要全面啟動(dòng)[1]。

玉米品種的抗性評(píng)測(cè)是通過(guò)在多個(gè)區(qū)域內(nèi)人工投放草地貪夜蛾幼蟲同時(shí)混合玉米棒殘?jiān)?，遵循設(shè)定好的投放流程，在每株玉米的心葉投放15頭幼蟲，分別在7天、14天及24天后測(cè)量幼蟲對(duì)葉片或果實(shí)的食用量、幼蟲數(shù)量及體重，以此評(píng)定玉米品種的抗性。因玉米的種植范圍較為廣闊，試驗(yàn)易受到外界因素干預(yù)，所以要在試驗(yàn)設(shè)計(jì)階段就設(shè)置好對(duì)應(yīng)的對(duì)照組。同時(shí)，不同的科研團(tuán)隊(duì)可能對(duì)對(duì)照組的理解有所不同，設(shè)置的對(duì)照組也有所差異。陽(yáng)極對(duì)照選擇通常為含有Bt毒素的轉(zhuǎn)基因品種或是“Mp708”，而陰極的對(duì)照組選擇缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。最后受評(píng)測(cè)的品種與對(duì)照組之間的差異，應(yīng)用指標(biāo)量的方差分析及Fisher最小顯著差異進(jìn)行分析，對(duì)主成分分析開展比較。

從2000年開始，研究人員就應(yīng)用上述方法進(jìn)行品種分析，總計(jì)測(cè)試了超過(guò)60種品種，包括自交種、雜交種及地方品種對(duì)草地貪夜蛾的抗性。在持續(xù)兩年的測(cè)試中，幾種抗性較強(qiáng)的玉米品種都屬于熱帶地區(qū)的特有物種，這說(shuō)明熱帶地區(qū)的玉米種類可能是對(duì)草地貪夜蛾可遺傳抗性的重要來(lái)源，同時(shí)也符合基于生物化學(xué)研究提出的熱帶玉米對(duì)啃食類昆蟲抗性更強(qiáng)的假說(shuō)。

三、玉米對(duì)草地貪夜蛾的抗性機(jī)理

對(duì)抗性物種進(jìn)行篩選，同時(shí)確定當(dāng)中的抗性相關(guān)位點(diǎn)與具體基因，一方面應(yīng)用傳統(tǒng)育種的形式提升農(nóng)藝性較好的玉米品種的抗性，同時(shí)可以在后期繼續(xù)開展對(duì)抗性機(jī)制研究工作，為未來(lái)階段應(yīng)用功能基因組的形式應(yīng)用反向遺傳學(xué)手段提升作物抗性打好基礎(chǔ)。研究草地貪夜蛾抗性較高的玉米品種的抗性機(jī)理，為其他農(nóng)藝性較好的玉米品種的抗性機(jī)理研究做好鋪墊。

美國(guó)在1990年通過(guò)傳統(tǒng)育種形式選育出了典型抗性品種“Mp708”，通過(guò)定量性狀位點(diǎn)定位的形式研究得出品種的抗性可能源自多個(gè)基因位點(diǎn)的結(jié)論。草地貪夜蛾在該品種周圍的生長(zhǎng)速度會(huì)降低，同時(shí)該品種的葉片細(xì)胞壁中蘊(yùn)含了大量的半纖維素，葉片有較高的韌性，不易被啃食，蛋白質(zhì)含量敏感品系明顯降低。通過(guò)對(duì)比抗性以及感病品種愈傷組織內(nèi)的蛋白組成差異，研究得出由玉米mir1基因編碼的半胱氨酸蛋白酶能夠有效使草地貪夜蛾發(fā)育滯緩。后續(xù)研究可以看出，蛋白酶能夠損害草地貪夜蛾的圍食膜基質(zhì)。此外，“Mp708”高抗性還可能與自身茉莉酸水平、揮發(fā)萜類代謝物沉積有關(guān)。

隨著近年來(lái)分子生物學(xué)及相關(guān)學(xué)科技術(shù)的高速發(fā)展，且在植物抗蟲領(lǐng)域得到了推廣及應(yīng)用，研究人員對(duì)植物及蟲類之間互作分子機(jī)制的認(rèn)知也更加清晰、明確且深入，同時(shí)對(duì)植物病原體感知分子機(jī)理的理論框架逐漸成形。總的來(lái)說(shuō)，昆蟲的分泌液及其進(jìn)食過(guò)程中產(chǎn)生的信號(hào)分子，可以將植物的下游分子信號(hào)傳導(dǎo)通路激活，包括活性氧分子、細(xì)胞膜跨膜電信號(hào)、鈣離子信號(hào)、撕裂原活化蛋白激酶信號(hào)傳導(dǎo)通路等都可以得到很好的運(yùn)作，交匯于茉莉酸主導(dǎo)的植物激素信號(hào)網(wǎng)絡(luò)上。而處于茉莉酸信號(hào)下游的使各類反式轉(zhuǎn)錄因子，能夠?qū)瓜x功能的蛋白及小分子化合物起到調(diào)控作用，包括萜類、苯丙素類物質(zhì)，同時(shí)還有禾木本科作物中的苯并噁嗪酮類化合物。這些防御分子在合成后起到抑制昆蟲食欲的作用，如果昆蟲進(jìn)食，則可能腸道微生物菌落平衡遭破壞，生長(zhǎng)發(fā)育會(huì)放緩。

從長(zhǎng)期研究可以看出，在植物及昆蟲之間適應(yīng)及進(jìn)化的過(guò)程中，不僅是玉米產(chǎn)生了高抗性，草地貪夜蛾也演化出大量針對(duì)玉米防御的應(yīng)對(duì)機(jī)制。如草地貪夜蛾的唾液、分泌物、糞便內(nèi)會(huì)產(chǎn)出影響玉米防御信號(hào)傳導(dǎo)的物質(zhì)，阻礙抗性形成。此外，草地貪夜蛾還可以對(duì)植物的防御機(jī)理產(chǎn)生耐受性，如通過(guò)腸道內(nèi)消化蛋白酶的改變抵抗植物分泌出的抑制蛋白，或是通過(guò)分泌特異性糖苷避免腸道內(nèi)菌群失衡等[2]。

四、抗性基因位點(diǎn)

通過(guò)正向遺傳學(xué)技術(shù)建立起細(xì)致的基因定位所需遺傳學(xué)種群，一般需要經(jīng)過(guò)幾代植物的雜交及自交才能實(shí)現(xiàn)，而對(duì)遺傳學(xué)種群中個(gè)體基因型層頂?shù)纳疃扔譀Q定了基因定位區(qū)間大小。玉米自交屬二倍體基因組，器堿基對(duì)超過(guò)2.6G，八成以上的是轉(zhuǎn)座子等高重復(fù)序列，染色體兩端重組熱點(diǎn)區(qū)域的連鎖不均衡地帶甚至其堿基長(zhǎng)僅為幾千。因此在低密度分子標(biāo)記修改，玉米中低精度基因定位結(jié)果通常蘊(yùn)含大量、具體的與抗性基因無(wú)關(guān)聯(lián)的其他染色體片段。

現(xiàn)有農(nóng)藝性高的玉米品種在培育中，為提高產(chǎn)量去除了大段染色體，因此容易受到草地貪夜蛾侵害。伴隨基因組測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)研究人員應(yīng)用重測(cè)序技術(shù)開展基因判定，通過(guò)對(duì)300余種品種的研究，積累下8000萬(wàn)余個(gè)單核苷酸多樣性分子標(biāo)記，幾乎覆蓋到全基因范圍的標(biāo)記，為全基因組關(guān)聯(lián)分析實(shí)現(xiàn)記憶定位做好鋪墊。而中國(guó)對(duì)此研究相比美國(guó)還有所差距，對(duì)此開展研究是全國(guó)玉米研究發(fā)展中的必經(jīng)之路。此外應(yīng)用正向遺傳基因定位技術(shù)需要精準(zhǔn)的表型測(cè)定，但傳統(tǒng)的測(cè)量受周邊環(huán)境影響較大，同時(shí)對(duì)草地貪夜蛾的抗性研究也需要時(shí)間和經(jīng)濟(jì)投入，很難獲得精準(zhǔn)的基因位點(diǎn)與表型間的關(guān)系。

伴隨組學(xué)測(cè)序及代謝組學(xué)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)，玉米抗蟲病方向的正向遺傳學(xué)定位僅能夠達(dá)到確定單一抗性基因的程度，以提升玉米品種抗性位目標(biāo)，執(zhí)行精準(zhǔn)育種。研究得出的抗性基因組包括分子傳導(dǎo)通路中的激酶蛋白，以及特定次生代謝物合成酶。蛋白質(zhì)編碼的基因通常有限定的功能域，能夠通過(guò)堿基序列進(jìn)行預(yù)測(cè)。所以，篩查不同品種玉米自交抗蟲性也要考慮基因組中關(guān)聯(lián)功能基因的多樣性及表達(dá)量變化，這可能是快速鑒定玉米草地貪夜蛾抗性的方向。還要說(shuō)明的是，次生代謝物合成會(huì)對(duì)植物農(nóng)藝性產(chǎn)生影響，所以使抗性相關(guān)次生代謝物置于適當(dāng)?shù)恼T導(dǎo)表達(dá)調(diào)控下，決定了作物抗蟲性與農(nóng)藝性之間的平衡[3]。

五、結(jié)語(yǔ)

綜上，應(yīng)用好植物自身防御機(jī)理是綜合治理草地貪夜蛾的重要一環(huán)，要盡可能在維持培育物種農(nóng)藝性的基礎(chǔ)上，還原玉米揮發(fā)性萜類物質(zhì)等抗蟲物質(zhì)，做好抗蟲性及農(nóng)藝性之間的平衡，保證產(chǎn)能、品質(zhì)的前提下，推動(dòng)全國(guó)玉米經(jīng)濟(jì)、基因研究技術(shù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳 超，張 磊，廖重宇. 草地貪夜蛾對(duì)化學(xué)農(nóng)藥和Bt作物的抗性機(jī)制及其治理技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 植物保護(hù)學(xué)報(bào)2019（3）：503-513.

[2] 張丹丹，吳孔明. 國(guó)產(chǎn)Bt-Cry1Ab和Bt-（Cry1Ab+Vip3Aa）玉米對(duì)草地貪夜蛾的抗性測(cè)定[J]. 植物保護(hù)，2019（4）.

[3] 周紹群. 不同玉米品種對(duì)草地貪夜蛾抗性的評(píng)估及其在防治中的應(yīng)用前景[J]. 植物保護(hù)，2019， 45（5）：8-12.