麥類作物對(duì)蚜蟲抗性機(jī)制及抗性遺傳研究進(jìn)展

劉曉蓓, 張 勇, 陳巨蓮

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，植物病蟲害綜合治理全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193)

小麥?zhǔn)俏覈?guó)重要的糧食作物,常年種植面積2 130萬(wàn)hm2,產(chǎn)量1.3億t,種植面積和產(chǎn)量分別占全球13.3%和19%(https:∥data.stats.gov.cn),小麥安全生產(chǎn)對(duì)我國(guó)糧食安全具有重要作用。小麥生產(chǎn)過(guò)程中遭受多種害蟲為害,如小麥蚜蟲(簡(jiǎn)稱麥蚜,下同)、麥蜘蛛、吸漿蟲、地下害蟲等,對(duì)小麥產(chǎn)量和品質(zhì)造成嚴(yán)重影響。隨著氣候變化、耕作制度調(diào)整、生產(chǎn)品種迭代更新,小麥害蟲的發(fā)生為害呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)與加重趨勢(shì)。麥蚜是我國(guó)小麥生產(chǎn)中的重大害蟲,具有繁殖快、適應(yīng)性強(qiáng)、遷飛性、寡食性、暴發(fā)頻繁、為害損失重等特點(diǎn)。麥蚜主要通過(guò)3種方式為害小麥:直接刺吸植株韌皮部汁液,造成葉片干黃或籽粒不飽滿;分泌蜜露導(dǎo)致霉菌感染,影響農(nóng)作物的光合作用;傳播植物病毒,如大麥黃矮病毒(barely yellow dwarf virus, BYDV),引發(fā)病毒病的大面積發(fā)生流行,進(jìn)一步影響小麥產(chǎn)量與質(zhì)量[1]。近年來(lái),小麥蚜蟲在我國(guó)各麥區(qū)呈中等偏重發(fā)生,年均發(fā)生面積1 600萬(wàn)hm2,雖經(jīng)大力防治,每年產(chǎn)量損失仍高達(dá)5億～9億kg,占小麥病蟲害造成損失總量的1/3[2]。2020年9月小麥蚜蟲被列入我國(guó)《一類農(nóng)作物病蟲害名錄》的常發(fā)性重大害蟲,發(fā)生嚴(yán)重時(shí)可造成小麥減產(chǎn)30%～40%,嚴(yán)重威脅我國(guó)小麥安全生產(chǎn)及糧食安全。麥蚜主要種類包括:荻草谷網(wǎng)蚜Sitobionmiscanthi(Takahashi) (習(xí)稱麥長(zhǎng)管蚜)[3-4]、禾谷縊管蚜Rhopalosiphumpadi(Linnaeus)、麥二叉蚜Schizaphisgraminum(Rondani),此外,還有為害相對(duì)較輕的麥無(wú)網(wǎng)長(zhǎng)管蚜Metopolophiumdirhodum(Walker),和僅在我國(guó)新疆分布的麥雙尾蚜Diuraphisnoxia(Mordvilko)。

長(zhǎng)期以來(lái),防治麥蚜主要依賴化學(xué)農(nóng)藥,導(dǎo)致用藥量居高不下、害蟲抗藥性上升、環(huán)境污染等一系列問(wèn)題。因此,減少化學(xué)藥劑用量,替之以綠色防控技術(shù),提升麥田生態(tài)系統(tǒng)效益迫在眉睫。培育和利用抗蟲品種是麥蚜可持續(xù)防控最為經(jīng)濟(jì)有效的策略之一。但目前生產(chǎn)上推廣應(yīng)用的小麥品種中抗蚜資源匱乏。因此,加強(qiáng)麥類作物對(duì)蚜蟲抗性鑒定技術(shù)規(guī)范的修訂與完善,開展抗性表型與基因型關(guān)聯(lián)分析,解析抗性機(jī)制以及抗性基因分子標(biāo)記輔助抗蚜育種研究,對(duì)優(yōu)質(zhì)抗蚜小麥資源的研發(fā)具有重要意義。

植物抗蟲性是指同一種植物在害蟲為害較嚴(yán)重的情況下,某些植株能抵御、避免受害或耐害的可遺傳特性,是植物與害蟲長(zhǎng)期協(xié)同進(jìn)化的產(chǎn)物。生產(chǎn)上表現(xiàn)為某一品種在相同蟲口密度下比其他品種損失小、受害輕,表現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的特性。抗蟲性分3種類型,即抗生性(antibiosis)、不選擇性或忌避性(antixenosis)和耐害性(tolerance)[5]。小麥植株形態(tài)特征是影響麥蚜寄主選擇與定殖的重要因素[6]。小麥植株體內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、次生代謝物組成及含量影響蚜蟲的生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖,對(duì)麥蚜產(chǎn)生抗生性。當(dāng)不選擇性與抗生性無(wú)法抵御麥蚜侵害時(shí),小麥的耐害性則可以保證小麥的正常生長(zhǎng),受害但損失輕或不減產(chǎn)[7]。按免疫特性分為組成抗性與誘導(dǎo)抗性[5]。筆者查閱了近10年來(lái)國(guó)內(nèi)外麥類作物抗蚜相關(guān)研究報(bào)道,收集整理了我國(guó)鑒定的小麥抗蚜品種,并以蚜蟲搜尋寄主行為的3個(gè)階段(定位寄主棲境、評(píng)估寄主是否適合定殖、選擇并接受最適寄主)涉及刺激因素為主線,結(jié)合蚜蟲與植物激素信號(hào)通路及植物免疫機(jī)制,綜述了小麥抗蚜相關(guān)的形態(tài)學(xué)特征、植物揮發(fā)物、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及次生代謝物、麥蚜取食誘導(dǎo)的免疫反應(yīng)等小麥抗蚜機(jī)理,小麥抗蚜基因與分子標(biāo)記,以及抗蚜品種創(chuàng)制等最新研究進(jìn)展。以期為深入開展麥類作物對(duì)蚜蟲抗性機(jī)制及抗性遺傳研究、抗蚜品種選育以及抗蚜品種合理布局的麥蚜綠色防控技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用提供參考。

1 小麥抗蚜品種鑒定篩選

小麥對(duì)蚜蟲抗性表型評(píng)價(jià)需要規(guī)范的技術(shù)方法,高效、精準(zhǔn)的小麥抗蚜評(píng)價(jià)體系是系統(tǒng)篩選鑒定抗蚜小麥種質(zhì)資源,提高不同區(qū)域抗性評(píng)價(jià)結(jié)果可比性的基礎(chǔ)。從20世紀(jì)50年代末,我國(guó)就已開展小麥抗蚜品種的鑒定篩選工作[8-9],經(jīng)過(guò)多年努力,已成功鑒定出一批抗蚜品種,并形成了相應(yīng)的抗性鑒定與篩選方法。常用的小麥品種抗蚜評(píng)價(jià)方法有兩種,即模糊識(shí)別法和蚜量比值法。以模糊識(shí)別法為基礎(chǔ),中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所建立的農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“小麥抗蚜蟲評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范”(NYT 1443.7-2007)成為田間小麥成株期抗蚜鑒定規(guī)范。李素娟等[10]利用模糊識(shí)別技術(shù)通過(guò)連續(xù)5年(1991年-1995年)的田間試驗(yàn)篩選出‘中四無(wú)芒’‘KOK1679’‘Chul1497’‘JP2’‘洛夫林10號(hào)’等高抗麥蚜的小麥品種。路子云等[11]利用蚜量比值法,通過(guò)田間鑒定發(fā)現(xiàn)‘正科抗’‘冀麥418’‘河農(nóng)825’‘石B07-4056’等為麥長(zhǎng)管蚜高抗品種。通過(guò)耐害性試驗(yàn)得出‘Amigo’‘小偃22’和‘186Tm’品種上雖然蚜蟲數(shù)量較多,但產(chǎn)量損失率較低,具有較高耐害性[12]。隨著技術(shù)進(jìn)步,以便攜式野外光譜儀測(cè)定小麥品種冠層高光譜反射率,預(yù)測(cè)小麥植株麥長(zhǎng)管蚜百株蚜量,為田間抗蚜鑒定提供了簡(jiǎn)便方法[13]。

室內(nèi)苗期抗蚜鑒定作為田間鑒定的補(bǔ)充,也成為抗蚜品種鑒定篩選的依據(jù)之一。室內(nèi)抗蚜鑒定方法主要有:生命表參數(shù)法、室內(nèi)蚜量比值法、蚜蟲取食行為刺吸電位技術(shù)(electrical penetration graph,EPG)。由于田間鑒定影響因素較多,室內(nèi)生命表法耗時(shí)長(zhǎng),因此室內(nèi)人工接種蚜量比值法成為短時(shí)間快速篩選抗蚜品種的首選方法。劉新倫等[14]用室內(nèi)蚜量比值法鑒定出‘C273’與‘蘭麥(陜西柞水)’高抗麥長(zhǎng)管蚜,其結(jié)果與田間鑒定一致。陳巨蓮等[15]將EPG技術(shù)應(yīng)用在小麥品種的抗蚜鑒定中,建立了一套室內(nèi)苗期抗蚜鑒定新方法。曹賀賀等[16]通過(guò)EPG技術(shù)證實(shí)了小麥品種‘小偃22’抗蚜可能是由于韌皮部存在拒食物質(zhì)。目前,已報(bào)道鑒定出對(duì)麥蚜高抗與中抗的30余個(gè)小麥品種,匯總?cè)缦?表1)。

表1 已鑒定的對(duì)麥蚜高抗與中抗小麥品種及鑒定標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Wheat varieties identified as highly and moderately resistant to wheat aphids and evaluation methods

2 小麥抗蚜機(jī)理研究

植物對(duì)害蟲的防御主要包括物理防御和化學(xué)防御兩種。植物對(duì)蚜蟲防御作用較大的物理防御因子主要包括形態(tài)特征、表面蠟質(zhì)、毛狀體、機(jī)械強(qiáng)度和植物內(nèi)部的一些精細(xì)結(jié)構(gòu)等,這些物理障礙構(gòu)成了防御麥蚜的第一道屏障,起到阻礙害蟲取食、生長(zhǎng)與發(fā)育的作用。

化學(xué)防御是植物對(duì)昆蟲防御體系的重要組成部分,包括植物體內(nèi)次生物質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和一些不利于昆蟲消化的成分等。植物次生代謝物主要包括酚類化合物、萜烯化合物和含氮化合物(如生物堿、芥子油苷類)三大類,是植物體內(nèi)復(fù)雜的分支代謝途徑的產(chǎn)物,大部分次生代謝物質(zhì)為植保素,可增強(qiáng)抗病蟲性[24]。

2.1 植株顏色及信息化合物對(duì)麥蚜的驅(qū)避性

當(dāng)春季蚜蟲遷入麥田時(shí),蚜蟲首先利用嗅覺(jué)和視覺(jué)線索定位寄主[25],如植株顏色和釋放的揮發(fā)性物質(zhì)等,而小麥為了抵御麥蚜侵襲,也形成了復(fù)雜的防御體系。植株顏色可影響蚜蟲而表現(xiàn)出抗蚜性,如春小麥顏色越綠,蚜蟲密度越低[26]。此外,寄主植物節(jié)律性釋放的揮發(fā)物也是蚜蟲定位寄主、降落定殖的重要信號(hào)。植物受昆蟲為害攻擊時(shí)還釋放一些揮發(fā)性次生化合物,如萜烯類物質(zhì)(E)-4,8-二甲基-1,3,7-壬三烯(DMNT)、(E)-β-法尼烯(EBF)、芳樟醇等,這些化合物能增強(qiáng)對(duì)害蟲天敵的引誘作用,驅(qū)避害蟲,阻止其持續(xù)取食、產(chǎn)卵,并將植物受害的信號(hào)傳遞到鄰近同種植物,達(dá)到間接防御的目的。例如,EBF在植物與蚜蟲互作中具有重要作用,既是蚜蟲報(bào)警激素,也是某些植物的信息化合物,具有驅(qū)避蚜蟲、引誘捕食性和寄生性天敵的功能[27]。蚜蟲為害可誘導(dǎo)小麥釋放2-莰烯、6-甲基-5-庚烯-2-酮、6-甲基-5-庚烯-2-醇和水楊酸甲酯(MeSA)等揮發(fā)物,其中S-芳樟醇、反-2-己烯醛和苯甲醛釋放量顯著增加[28]。經(jīng)嗅覺(jué)行為試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)抗蚜小麥品種揮發(fā)物組分6-甲基-5-庚烯-2-醇和MeSA對(duì)麥蚜具有明顯的驅(qū)避作用[29]。此外,八倍體小偃麥釋放的單萜芳樟醇對(duì)麥長(zhǎng)管蚜具有排斥作用[30]。在田間釋放MeSA、EBF具有吸引天敵、驅(qū)避蚜蟲的效果,從而有效防控麥蚜為害[31]。

2.2 小麥形態(tài)結(jié)構(gòu)與抗蚜性

當(dāng)蚜蟲選擇植物并落在植株表面,觸覺(jué)和味覺(jué)線索是評(píng)估植株是否適宜定殖的依據(jù)。小麥葉片絨毛、旗葉面積、芒長(zhǎng)、葉表皮蠟質(zhì)等形態(tài)特征都是影響蚜蟲定殖的重要因素。小麥葉片絨毛長(zhǎng)度及密度與抗蚜性顯著正相關(guān)[32-33],葉片的毛狀體密度是決定小麥抗性水平的關(guān)鍵因素,蚜蟲更喜食毛狀體密度小的老葉[34]。植物表面蠟質(zhì)也可影響植食性昆蟲對(duì)寄主植物的選擇、取食及產(chǎn)卵,如小麥葉片表面的蠟質(zhì)抑制了麥長(zhǎng)管蚜的取食行為,表面蠟質(zhì)提取物對(duì)蚜蟲具有毒性作用[35-36]。

2.3 小麥營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、次生代謝物與抗蚜性

當(dāng)蚜蟲在植株上定殖后,植物體內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或有毒次生代謝物可直接影響蚜蟲的生長(zhǎng)發(fā)育,進(jìn)而影響植物抗蚜性。與抗蚜性相關(guān)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主要包括可溶性蛋白、糖類、氨基酸、無(wú)機(jī)鹽等。研究表明,抗麥長(zhǎng)管蚜小麥品種葉片總蛋白含量顯著低于感蚜品種,但韌皮部游離氨基酸含量高于感蚜品種[37]。在高溫和干旱脅迫下,麥株可溶性糖和氨基酸含量增加、導(dǎo)致抗蚜性增加[38]。也有報(bào)道小麥韌皮部總糖含量與抗蟲性無(wú)關(guān)[37]。氨基酸種類及含量與小麥抗蚜性相關(guān),β-氨基丁酸對(duì)麥蚜具有抑制作用,在小麥苗期采用β-氨基丁酸灌根處理可顯著抑制麥長(zhǎng)管蚜的體重增長(zhǎng),添加于人工飼料中則對(duì)該蚜具有直接毒害作用[39]。但不同氨基酸與抗蚜性的關(guān)系不一致,如谷氨酸、丙氨酸、賴氨酸、天冬氨酸在小麥葉片中的含量與麥長(zhǎng)管蚜的內(nèi)稟增長(zhǎng)率呈正相關(guān),而亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸與脯氨酸的含量與其內(nèi)稟增長(zhǎng)率呈負(fù)相關(guān)[40]。

植物次生代謝物質(zhì)是植物體內(nèi)復(fù)雜的分支代謝途徑產(chǎn)生的一類重要抗蟲物質(zhì),大部分次生代謝物質(zhì)為植保素,可增強(qiáng)植物對(duì)病蟲害抗性[41]。與抗蚜相關(guān)的次生代謝物主要包括酚類、苯并噁唑嗪酮類、生物堿等。一些次生代謝物與植物對(duì)蚜蟲的抗生性相關(guān)。酚類化合物可影響昆蟲腸道表皮細(xì)胞膜,使昆蟲產(chǎn)生拒食性,不利于昆蟲生長(zhǎng)發(fā)育[42]。不同抗性小麥品種主要次生代謝物質(zhì)種類及含量差異顯著[43],總酚含量和黃酮含量與品種抗性呈顯著正相關(guān)[33,44],人工飼料中添加黃酮類化合物可顯著抑制麥長(zhǎng)管蚜的生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖[23],小麥苗期葉片香豆酸和香草酸含量與抗蚜性呈顯著正相關(guān)[45]。對(duì)不同抗性小麥穗部和旗葉中槲皮素含量比較發(fā)現(xiàn),旗葉和穗部槲皮素含量均與抗蚜性呈顯著正相關(guān)[46];人工飼料添加兒茶素及槲皮素明顯抑制麥長(zhǎng)管蚜和禾谷縊管蚜存活與生長(zhǎng)發(fā)育,此外較低濃度的單寧也可顯著降低麥長(zhǎng)管蚜和禾谷縊管蚜的存活與生長(zhǎng)發(fā)育,且與總酚在抗麥長(zhǎng)管蚜方面存在正交互作用[43]。苯并噁唑嗪酮類化合物是禾本科植物中一類重要的次生代謝物質(zhì),在抵御多種生物脅迫的化學(xué)防御中發(fā)揮著重要作用[47]。異羥肟酸是苯并噁唑嗪酮類化合物中最活躍的一類化合物[48],已被證實(shí)對(duì)麥長(zhǎng)管蚜、麥二叉蚜、禾谷縊管蚜、麥無(wú)網(wǎng)長(zhǎng)管蚜具有抵御作用[34,49]。其在小麥中主要以丁布形式存在,在小麥老葉中的含量高于嫩葉,且是決定植株抗性水平的關(guān)鍵因素[34]。但也有研究表明,小麥中苯并噁唑嗪酮類化合物組成與含量與麥長(zhǎng)管蚜抗性水平無(wú)顯著相關(guān)性[50]。一些生物堿種類已被證實(shí)對(duì)蚜蟲和其他害蟲具有毒殺活性,如麥穗中吲哚生物堿含量與抗蚜性密切相關(guān)[41]。

2.4 麥蚜取食誘導(dǎo)對(duì)小麥防御系統(tǒng)的調(diào)控

植物受到害蟲為害可激活如茉莉酸(jasmonic acid, JA)、水楊酸(salicylic acid, SA)、乙烯(ethylene, ET)、脫落酸(abscisic acid, ABA)等植物激素及活性氧等信號(hào)物質(zhì)介導(dǎo)的植物防御途徑,進(jìn)而誘導(dǎo)相關(guān)次生代謝物的產(chǎn)生和積累,影響害蟲生長(zhǎng)發(fā)育[7]。蚜蟲侵害誘導(dǎo)的植物防御反應(yīng)可能與蚜蟲種類、植物品種、取食時(shí)間及種群密度等有關(guān)。一般認(rèn)為,蚜蟲、煙粉虱等刺吸式昆蟲取食主要誘導(dǎo)植物SA防御途徑[51]。麥長(zhǎng)管蚜取食引起小麥SA途徑的PR1基因表達(dá)量升高,而JA途徑相關(guān)基因LOX、AOS表達(dá)量無(wú)顯著變化[52]。通過(guò)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序(RNA-Seq)及液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜(LC-MS/MS)分析發(fā)現(xiàn)麥長(zhǎng)管蚜及麥二叉蚜取食主要誘導(dǎo)SA介導(dǎo)的小麥防御信號(hào)途徑,并引起胼胝質(zhì)及過(guò)氧化氫(H2O2)積累,SA含量增加[53]。但也有研究表明,麥長(zhǎng)管蚜與麥二叉蚜取食小麥或高粱可同時(shí)誘導(dǎo)SA及JA信號(hào)途徑關(guān)鍵基因表達(dá)水平及其激素含量增加[54-55]。H2O2作為廣譜信號(hào)分子,機(jī)械損傷及病蟲害侵染均可引起其在植物組織內(nèi)積累[56]。麥長(zhǎng)管蚜及麥二叉蚜取食可導(dǎo)致小麥葉片內(nèi)H2O2含量顯著升高,而麥二叉蚜(植物毒性蚜種)對(duì)H2O2積累及SA誘導(dǎo)程度更強(qiáng)烈[57]。ET在誘導(dǎo)小麥抗蚜性中也具有重要作用,麥長(zhǎng)管蚜取食可引起轉(zhuǎn)harpin基因小麥品系中ET通路標(biāo)志基因EIN2表達(dá)量上調(diào),激活ET通路下游的韌皮部防衛(wèi)反應(yīng),進(jìn)而抑制麥蚜的生長(zhǎng)繁殖[58]。體外噴施防御信號(hào)物質(zhì)也可提高植物抗蚜性,JA噴施麥苗可顯著抑制麥長(zhǎng)管蚜生長(zhǎng)發(fā)育、導(dǎo)致繁殖力下降[59];但有研究報(bào)道MeJA和SA與麥長(zhǎng)管蚜抗生性無(wú)關(guān),但影響其寄主選擇和取食行為[60]。

當(dāng)植物受到機(jī)械損傷、病蟲侵染為害等外界逆境脅迫時(shí)可誘導(dǎo)植物胼胝質(zhì)合成[61]。胼胝質(zhì)是一種以β-1,3鍵結(jié)合的葡聚糖,通常在植物韌皮部篩板的表面或篩孔周圍有少量胼胝質(zhì)沉積,其大量積累與植物對(duì)病蟲害抗性有關(guān)[41,62]。麥長(zhǎng)管蚜與麥二叉蚜取食可誘導(dǎo)小麥葉片細(xì)胞內(nèi)胼胝質(zhì)大量積累[57],且麥長(zhǎng)管蚜取食導(dǎo)致小麥苯并噁唑嗪酮類化合物代謝平衡發(fā)生變化,影響胼胝質(zhì)沉積過(guò)程,進(jìn)而影響小麥抗蚜水平[50]。胼胝質(zhì)在蚜蟲-植物互作中的作用機(jī)制仍未知。據(jù)推測(cè),蚜蟲取食誘導(dǎo)寄主植物維管束篩板產(chǎn)生胼胝質(zhì)可阻礙韌皮部營(yíng)養(yǎng)汁液向蚜蟲口針插入點(diǎn)運(yùn)輸,阻遏蚜蟲正常取食以提高植物抗蚜性。

蚜蟲取食調(diào)控植物抗性的分子機(jī)制是蚜蟲與植物互作領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。Jones等[63]提出了病原菌與寄主植物動(dòng)態(tài)互作關(guān)系的“Z模型”(zig-zag model)。研究發(fā)現(xiàn)此模型也適用于蚜蟲-植物互作關(guān)系的解釋:蚜蟲在取食過(guò)程中可通過(guò)刺吸式口器向植物體內(nèi)分泌唾液蛋白,一些唾液蛋白可作為激發(fā)子或效應(yīng)子參與誘導(dǎo)或抑制寄主植物防御反應(yīng)及抗性水平[64-65]。Zhang等[66-67]利用蚜蟲唾液轉(zhuǎn)錄組與蛋白組相結(jié)合的技術(shù),從麥二叉蚜和荻草谷網(wǎng)蚜的水溶性唾液中分別鑒定出76個(gè)和114個(gè)唾液蛋白;Li等[68]利用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)從麥長(zhǎng)管蚜唾液中鑒定出一個(gè)來(lái)源于蚜蟲初級(jí)共生菌Buchnera的小分子伴侶蛋白GroES,并在潛在激發(fā)子及效應(yīng)子鑒定以及在調(diào)控小麥抗蟲防御機(jī)制方面取得明顯進(jìn)展。蚜蟲唾液蛋白作為激發(fā)子誘導(dǎo)植物防御反應(yīng),如麥長(zhǎng)管蚜的水狀唾液處理小麥葉片引起小麥SA信號(hào)途徑中PR-1和PAL的表達(dá)量顯著上調(diào)[69]。利用熒光假單胞桿菌PseudomonasfluorescensⅢ型分泌系統(tǒng)(T3SS)將來(lái)源于蚜蟲初級(jí)共生菌的蚜蟲唾液蛋白GroES轉(zhuǎn)入小麥葉片內(nèi)瞬時(shí)表達(dá)可激活小麥防御途徑[68]。蚜蟲唾液蛋白亦可作為效應(yīng)子參與抑制植物防御反應(yīng),至今已有5個(gè)效應(yīng)子功能得到解析。如禾谷縊管蚜唾液蛋白R(shí)p1可抑制大麥植株防御反應(yīng)[70]。麥二叉蚜唾液蛋白Sg2204在小麥葉片內(nèi)瞬時(shí)表達(dá)可顯著抑制胼胝質(zhì)積累[66];麥長(zhǎng)管蚜的2個(gè)唾液效應(yīng)子Sm10和SmC002通過(guò)抑制JA防御途徑,增強(qiáng)小麥植株的敏感性而有利蚜蟲生長(zhǎng)發(fā)育[71];另一個(gè)唾液效應(yīng)子Sm9723為蚜蟲在小麥上生存的關(guān)鍵效應(yīng)蛋白,通過(guò)抑制JA和SA防御途徑關(guān)鍵基因表達(dá),逃避植物免疫[67]。

3 小麥抗蚜基因研究進(jìn)展

作物抗病蟲遺傳改良是最經(jīng)濟(jì)、有效和安全的病蟲害防控措施之一。對(duì)作物抗蚜基因分子定位,可實(shí)現(xiàn)抗蚜性狀選擇,有效縮短抗性品種育種進(jìn)程,并為進(jìn)一步克隆抗蚜基因及解析抗蟲機(jī)理奠定基礎(chǔ)。根據(jù)“基因?qū)颉奔僬f(shuō),植物每一個(gè)抗性基因都對(duì)應(yīng)著害蟲的特定毒性基因[72]。當(dāng)植株抗性基因的顯性等位基因與毒性基因的顯性等位基因相互作用時(shí),植株表現(xiàn)出抗性,而毒性基因的突變則意味著植株抗性基因的喪失,目前該假說(shuō)在寄主-害蟲互作中得到廣泛證實(shí)[73]。小麥遺傳背景復(fù)雜,其異源多倍體特性使其對(duì)基因組成的改變具有高度耐受性。已有研究報(bào)道,通過(guò)黑麥、大麥和燕麥與小麥之間的同源配對(duì)可從其他麥類作物中引入小麥所需的農(nóng)藝性狀,以及對(duì)病蟲害和非生物脅迫抗性與耐受性基因[74]。

自20世紀(jì)50年代以來(lái),國(guó)外對(duì)小麥抗麥二叉蚜的遺傳研究發(fā)現(xiàn),由于栽培小麥遺傳同質(zhì)化,在龐大的小麥基因庫(kù)中缺乏抗蚜基因。迄今為止,已鑒定15個(gè)抗麥二叉蚜基因(Gb),其中2個(gè)等位基因來(lái)源于小麥,10個(gè)等位基因來(lái)源于節(jié)節(jié)麥AegilopstauschiiCoss,1個(gè)來(lái)源于擬斯卑爾脫山羊草A.speltoidesTausch,2個(gè)來(lái)源于黑麥SecalecerealeL.[74]。除Gb1外,其余Gb抗性基因均為顯性基因,在植物整個(gè)發(fā)育過(guò)程中表達(dá),并對(duì)單個(gè)蚜蟲生物型具有抗性,而目前只有Gb3在育種中被廣泛使用[75]。在麥雙尾蚜與麥類作物互作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了對(duì)該蚜有抗性的寡基因遺傳特性。自1987年Du Toit[76]發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)抗麥雙尾蚜基因Dn1,目前國(guó)外已篩選并命名了超過(guò)10個(gè)Dn基因[77],其中大多數(shù)位于7D染色體上。Dn4被廣泛用于商業(yè)化育種中,但由于麥雙尾蚜新生物型RWA2的出現(xiàn),致使Dn4抗性喪失[74]。目前在小麥品種中普遍存在抗該生物型的Dn10基因,Dn2401、Dn2414、Dn7和Dn626580的抗性稍弱[78]。有關(guān)小麥對(duì)麥長(zhǎng)管蚜的抗性基因及遺傳研究較少,目前遺傳圖譜分析抗性基因主要定位于小麥染色體6A及7D上。Liu等[79]利用硬粒小麥品種‘C273’鑒定并命名了抗麥長(zhǎng)管蚜基因RA-1,定位于6AL上的5個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)與其連鎖。小麥品種‘正科1號(hào)’中抗蚜基因DnY定位于7DS上,并與Xwms350、Xgwm437、Xgwm4緊密連鎖,與分子標(biāo)記Xgwm44的遺傳距離為3.29 cm[80]。目前,雖然初步定位了一些小麥抗蚜基因,但由于缺乏抗性基因的精細(xì)定位和抗性遺傳機(jī)制解析,可用于輔助抗蟲育種的分子標(biāo)記缺乏,我國(guó)小麥傳統(tǒng)抗蚜遺傳育種相對(duì)薄弱。

4 轉(zhuǎn)基因抗蚜小麥的創(chuàng)制

研究人員利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)嘗試開展了抗蚜小麥創(chuàng)制。植物凝集素對(duì)具有刺吸式口器的害蟲,如蚜蟲、煙粉虱等具有較好的抗性,可以有效抑制其生長(zhǎng)和繁殖[41]。國(guó)內(nèi)已有報(bào)道,轉(zhuǎn)雪花蓮凝集素(GNA)、掌葉半夏凝集素(PPA)、半夏凝集素(PTA)及天南星凝集素(AHA)基因的抗蚜小麥品系可表達(dá)植物凝集素,抑制麥蚜正常取食行為及生長(zhǎng)發(fā)育,進(jìn)而提高了小麥抗蚜性[81-83]。利用EPG與室內(nèi)生測(cè),發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)凝集素基因PTA或AHA的小麥植株可導(dǎo)致麥長(zhǎng)管蚜取食過(guò)程非刺探時(shí)間顯著延長(zhǎng)、韌皮部取食時(shí)間明顯縮短,種群凈繁殖率及內(nèi)稟增長(zhǎng)率顯著降低[83]。由于轉(zhuǎn)凝集素基因小麥對(duì)非靶標(biāo)昆蟲、害蟲天敵及人類健康的安全性尚有爭(zhēng)議,因此尚未推廣種植。另一種轉(zhuǎn)基因策略,即促進(jìn)植物釋放調(diào)節(jié)昆蟲行為的信息化合物。蚜蟲行為調(diào)控信息化合物EBF是蚜蟲報(bào)警信息素的主要組分,一些植物也可釋放EBF,室內(nèi)及田間緩釋具有驅(qū)避蚜蟲和吸引天敵的作用[84]。利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)在小麥中轉(zhuǎn)入EBF合成酶基因(EβfS),或EBF合成酶基因及其前體合成酶基因(EβfS+FPPS),可使EBF在小麥植株過(guò)表達(dá)并持續(xù)釋放,對(duì)麥長(zhǎng)管蚜有翅成蚜具有顯著的驅(qū)避作用[85],對(duì)天敵異色瓢蟲和蚜繭蜂具有明顯的吸引作用[86]。但英國(guó)洛桑研究所經(jīng)過(guò)多年評(píng)價(jià),證實(shí)該轉(zhuǎn)基因小麥在田間控蚜效果不理想[85]。

干擾昆蟲重要功能基因的RNA干擾(RNA interference,RNAi)技術(shù)是害蟲防控的一種新策略。目前,利用植物介導(dǎo)的RNAi技術(shù)提高作物抗蚜性,以及納米載導(dǎo)dsRNA研發(fā)蚜蟲綠色防控技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。植物介導(dǎo)的RNAi技術(shù)是將害蟲生長(zhǎng)發(fā)育關(guān)鍵基因轉(zhuǎn)入到植物之中,利用表達(dá)dsRNA特異性沉默目的基因達(dá)到害蟲防治的效果,同時(shí)對(duì)非靶標(biāo)生物(尤其是害蟲天敵)安全。許蘭杰等[18]發(fā)現(xiàn)麥長(zhǎng)管蚜取食干擾羧酸酯酶或脂蛋白脂肪酶基因的小麥植株后,由于該酶的基因表達(dá)量及酶活下降,蚜蟲繁殖率受到顯著抑制。Sun等[87]利用小麥介導(dǎo)的RNAi技術(shù),沉默了麥長(zhǎng)管蚜功能未知基因SaZFP,發(fā)現(xiàn)該基因參與了麥長(zhǎng)管蚜取食和消化過(guò)程,并證實(shí)了小麥介導(dǎo)的RNAi靶向沉默SaZFP可顯著降低蚜蟲的存活率和繁殖率。同時(shí),利用納米載導(dǎo)及人工飼料飼喂或噴施介導(dǎo)的RNAi技術(shù)已成功驗(yàn)證一些對(duì)麥蚜生長(zhǎng)發(fā)育具有重要作用的基因,可作為潛在RNAi靶標(biāo)用于麥蚜防控。有研究表明,C002在麥蚜幼蟲的唾液腺中高表達(dá),利用C002-dsRNA沉默該基因可導(dǎo)致麥長(zhǎng)管蚜及麥二叉蚜死亡率顯著升高[88-89];將麥二叉蚜唾液效應(yīng)子基因Sg2204、麥長(zhǎng)管蚜唾液效應(yīng)子基因Sm9723沉默后均具有控制蚜蟲種群增長(zhǎng)的作用[66-67]。此外,利用dsRNA成功敲降麥長(zhǎng)管蚜蛻皮激素受體(EcR)和超氣門蛋白(USP)基因[90]、共生菌與麥蚜氨基酸代謝接力基因ilvA、ilvE的表達(dá),可導(dǎo)致蚜蟲存活率和繁殖力顯著下降[91-92]。通過(guò)飼喂miRNA干擾劑可有效抑制麥長(zhǎng)管蚜miRNA-263a、miRNA-316及miRNA-184a表達(dá)量,致使蚜蟲死亡率高達(dá)70%以上[93]。

5 展望

近年來(lái),我國(guó)小麥抗蚜性相關(guān)研究取得了顯著進(jìn)展,成功篩選出一批抗蚜種質(zhì)資源,但鑒定的抗性品種多為中抗、低抗品種,高抗小麥品種占比低。受田間麥蚜分布不均、氣象條件變化等因素的影響,篩選出的抗蚜小麥品種存在不同年度間鑒定結(jié)果不穩(wěn)定、對(duì)應(yīng)的抗性基因型不清楚的問(wèn)題,并且目前各小麥主產(chǎn)區(qū)以高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、廣適為目標(biāo)[94],而高抗小麥品種農(nóng)藝性狀并不符合大面積推廣種植的要求,導(dǎo)致目前仍缺乏可大范圍推廣種植的優(yōu)質(zhì)高抗麥蚜品種。針對(duì)目前存在的問(wèn)題,一方面需大量收集小麥農(nóng)家品種和近緣麥類作物品種,持續(xù)開展小麥抗蚜種質(zhì)資源鑒定工作;另一方面,通過(guò)積極開展國(guó)際合作及抗蟲資源引進(jìn),篩選出優(yōu)良的抗蚜蟲小麥品種,進(jìn)行抗性基因型鑒定。同時(shí)利用多組學(xué)關(guān)聯(lián)分析、分子標(biāo)記定位等分子生物學(xué)手段明確主要抗蟲物質(zhì)種類及關(guān)鍵調(diào)控基因,解析小麥調(diào)控抗蟲與生長(zhǎng)發(fā)育平衡的分子機(jī)制,推進(jìn)小麥抗蚜調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的精細(xì)化。目前小麥基因組信息已被釋放解析[95],通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)分析技術(shù)(genome wide association study,GWAS)與傳統(tǒng)抗蟲育種技術(shù)相結(jié)合,也可實(shí)現(xiàn)抗蚜基因的快速分離,同時(shí)結(jié)合基因編輯技術(shù)開展抗蚜基因的功能驗(yàn)證,有助于加快實(shí)現(xiàn)小麥品種抗蟲改良與精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。