茶樹的抗蟲性和抗性育種研究

李榮林　楊亦揚　胡雲飛　宋甫林　蘇杭　孔云龍　袁浩

摘要：茶樹通過以下途徑對有害生物產生抗性：以形態構建方式阻隔昆蟲的侵害；因代謝的變化顯著改變葉片的生化成分影響害蟲的取食選擇；通過補償生長減少害蟲取食造成的產量損失；昆蟲取食和激活劑誘導可以增強茶樹的抗性并發生遺傳上的改變。傳統的單株選育方式結合現代分子生物學技術的運用是茶樹抗性品種選育的基本方式，但茶樹抗性指標的選擇和抗性分級系統仍有待研究。

關鍵詞：茶樹；抗蟲性；育種

中圖分類號：S571.103.4 文獻標志碼：A 文章編號：1002-1302（2015）05-0001-03

植物育種的目標主要包括高產、優質、抗逆等，其中抗病蟲性是關系到植物高產、優質、安全的基礎目標。由于茶樹含有大量具有較強抑菌活性的多酚，因此在茶葉生產過程中對病害的關注程度不如蟲害高，蟲害是經常造成嚴重后果的一種災害，所以抗蟲性一直是茶樹育種的重要選擇指標。具有抗性機制的茶樹，通過化學、物理、機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棲息、產卵、取食，這將減少化學農藥的使用，具有明顯的安全和生態意義。

茶樹在長期的栽培馴化過程中進化出一些特殊的防御外來侵害的方式，基本上包括3種機制，即忌避性、抗生性和耐害性。這種防御機制的產生是由于茶樹遭遇昆蟲的侵害后產生出一定的物理和化學障礙，物理障礙包括葉片的質地、硬度和表面附屬物，化學障礙則是營養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，還沒有系統選育出抗主要病蟲害的品系，對于目前茶樹上一些危害嚴重的害蟲如茶尺蠖、小綠葉蟬、黑刺粉虱、介殼蟲、螨類等，仍需依靠化學農藥來控制，這對環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濟、安全、有效的解決方法，而茶樹抗性育種是一個前導性的工作。抗性育種的基礎是對茶樹的抗性機制有較為深刻的了解，本研究對茶樹抗蟲性的生理生化機制和相應的育種技術進行討論，為開展相關的研究提供參考。

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，植物體表茸毛的有無及長度、密度，表皮角質層的厚薄及其蠟質、分泌物和礦物質的積存，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、蠟質較厚、葉片硬度較高對害蟲的棲息和取食不利。害蟲的發生期與作物的物候期是否協調也影響到害蟲的選擇性，當植物所處的某個生長期與易被危害取食的時期不發生重疊時，對害蟲的繁衍不利，會減少害蟲的取食選擇。例如，大多數對小葉蟬的研究認為，芽葉節間長的品種較易感蟲，嫩葉柵狀組織和嫩莖皮層厚角細胞厚度增大則感蟲減少；氣孔數量多，即氣孔密度大，有利于害螨的取食；而茸毛的多少與害螨發生程度的關系還不確定；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

植物所含化學成分對害蟲具有毒害作用或缺失必要的營養，使之發育不良、體型變小、體重減輕、壽命縮短、死亡率增加、生殖力受抑制。植物發育的某個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生顯著變化，超過昆蟲所能忍受的程度，就會干擾昆蟲的消化和代謝。抗蟲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、蛋白質水解酶等酶活性都有不同程度的提高，抗性較強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，但具有很強的生殖和補償生長能力，使損失降低。許多作物受害的峰期與經濟產量形成的關鍵期有一段間隔，這樣在遭受侵害后有足夠的時間進行補償性生長，從而維持經濟產量基本不變。茶樹大多是通過采收細嫩芽葉來獲得產量的，即使是烏龍茶、普洱茶、黑茶等以成熟葉為采收對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，對茶葉產量影響較大，而危害成葉、老葉的害蟲對產量影響較小。由于茶葉采摘的顯著季節性特點，有時危害雖重，但經過一段時間的恢復性生長下季茶新梢仍可以很好地發育。

1.4茶樹抗蟲性的誘導

植物接受外來刺激產生一系列有利于增強對外來侵害防御能力的生理生化反應，稱為植物的抗性誘導。前人已對昆蟲取食和茉莉酸、水楊酸、苯并噻二唑（BTH）、β一氨基丁酸（BABA）處理誘導茶樹產生的抗蟲性開展了詳細研究。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，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照顯著下降，MJA處理的的茶樹新梢產生了對單白綿絨繭蜂引誘作用的新的揮發物，MJA誘導茶樹產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，葉片內苯丙氨酸解氨酶（PAL）、脂氧合酶的活性上升。MeSA處理的茶樹對假眼小綠葉蟬產生了比較明顯的驅避效應，而對龜紋瓢蟲、異色瓢蟲、小黑瓢蟲、蜘蛛和寄生蜂等茶園主要天敵表現出了明顯的誘集效應。

用苯并噻二唑（BTH）和口一氨基丁酸（BABA）對茶樹進行處理，結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個受茶尺蠖取食誘導的基因，包括參與脂類代謝的基因、編碼細胞壁蛋白的基因、木質素合成基因、類黃酮合成代謝基因和轉錄因子等。用類似方法發現有21個cDNA受假眼小綠葉蟬取食的誘導。外源MeSA處理后有80條基因的表達量發生了變化。

2.茶樹的抗蟲性育種

現有的茶樹抗性育種途徑和茶樹其他優良性狀品種選擇或選育一樣，主要是從單抹選育開始，經過不斷篩選測試、逐漸放大的區域試驗，最后經過鑒定而育成。茶樹抗蟲性指標的確定仍以傳統的田間觀察和測試為主，以生物化學、形態學鑒定方法為輔。

2.1茶樹抗性品種資源的鑒定

2.1.1田間百葉蟲數調查根據本地區茶樹病蟲發生的實際情況，在害蟲預定發生的各個高峰期連續開展田間調查，方法是按照病蟲測報的一般程序對不同茶樹品種上的一定種類害蟲的蟲口數量定點、定時、定人進行調查，比較在相同環境條件下不同茶樹品種上害蟲的發生率。如能發現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室內接種鑒定選定的茶樹植株通過初步擴大繁殖后，按照相同條件用直接暴露法接種一定數量的蟲源，精確測定植株受損害的程度（葉片的面積和莖葉的質量、減產百分率）或記錄害蟲的生命表（害蟲聚集程度、取食時間、次數、生長發育時間、死亡率、產卵量和壽命）。非生長季節也可以制備人工飼料開展飼蟲試驗。

3.2抗性分級

由于危害茶樹的害蟲種類較多，并且在各個不同茶區主要的危害種類不同，茶樹抗性的分級還缺乏統一標準，大多數分級標準以田間實際調查的百葉蟲口數為基準，這是相對可行的一種方法，但也易受環境干擾。朱俊慶等提出了根據田間調查數據進行危害分級（表1）。

刺吸式害蟲所造成的芽梢生長抑制難以準確區分，而且影響因素過于復雜，不是一個理想的選擇。小綠葉蟬的卵產于茶樹表皮組織內，也難于檢識，因此最好還是以田間種群密度調查為基礎。食葉類害蟲除直接于田間調查蟲口數外，可以通過室內飼養測定葉片的消耗和害蟲的發育進程、生理指標來判定抗性，但同樣需要建立統一的技術規范，規定好供試蟲源和飼養條件的要求。

3.研究方向

3.1抗蟲性鑒定的技術

抗蟲性直接鑒定的方法受指標選擇、環境變異、危害特征復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更為簡便、靈活并實現規范化，因此以生長抑制率、感蟲數等量度作為抗性分級的指標都有明顯缺陷。

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

生化指標有助于篩選抗蟲品種，但抗性是一個多種因素參與的復雜過程，各種作用機制有時是很難明確區分的，生化指標的具體作用方向會因茶樹品種、害蟲類型等產生明顯差異；另一方面有些生化指標對害蟲的作用和對茶樹的作用可能趨于相反的方向，單純依靠靜態的分析尚不足以闡明其作用的實質，例如生長良好的茶樹可溶性蛋白、氨基酸、可溶性糖等應處于一個較高的水平，這有利于茶樹抵御侵害，因為這似乎意味著茶樹的生長勢較強，但從已有的報道來看，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較低的水平，理論上的分析認為這意味著植物組織對害蟲的營養性降低，這2種作用方向存在一定的矛盾。因此對于抗蟲性的理化指標從技術和理論兩方面都還需要開展更為深入的研究。

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

一個茶樹品種除根據抗性育種目標開展抗性測試外，對育成的抗性品種還需要從生態學角度評估它在病蟲害綜合治理中的作用，研究其對捕食性天敵的影響、對育種目標以外其他病蟲害的適應性、對土壤環境的適應性、對農藥減量化效果的準確評價等。當茶樹害蟲的取食選擇性發生轉移時，害蟲取食對象的轉移對其他茶樹品種、其他農作物的影響也需要加以研究。在轉基因植物研究中，已經發現當抗蟲植物釋放后，某些昆蟲在原有其他寄主植物上的發生率也大為降低，但也存在著這些害蟲轉移危害的生態風險。

3.2茶樹抗性育種的新方向

傳統方法如單株選育、雜交育種、誘變技術在育種實踐中仍占有主導地位，應用現代分子生物學方法開展茶樹育種研究是未來加速茶樹種質創新的基本手段。人們對植物抗蟲基因發掘產生興趣的一個重要動機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行轉移。茶樹的重要性狀基因標記、克隆已經有相當多的研究，但遺傳轉化較為困難，雖然如此，基因工程在茶樹上的應用也已有嘗試，例如已有研究者將Bt基因轉入茶樹，但是茶樹作為一種食品資源，發展轉基因技術會存在很多疑慮，因此如何利用分子生物學研究結果指導茶樹的常規育種是值得思考的。

在自然選擇條件下，既具有抗性特征又有高產、優質、適應性廣等優點的茶樹品種難以獲得，抗性的選擇往往與經濟性的選擇存在一定矛盾，在茶樹抗性育種的具體實踐中除了沿襲傳統有效的篩選方法外，利用抗性誘導技術開展茶樹育種可能是一個新的方向，將有助于設計更為簡單有效的抗性鑒定方法，為種質資源的發掘和利用提供重要線索。

抗性誘導技術的應用至少有2個方向：一是抗性的鑒定，這又有2種路徑，分別是利用外源物誘導和害蟲取食誘導，具有抗性的品種在誘導作用下所發生的生理生化反應一般也要比弱抗性品種要強烈，用誘導技術利于選擇出抗性品種；另一個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，為進一步的篩選提供基礎。

無論是外源化合物的刺激還是害蟲取食的誘導，值得關注的是這種獲得性抗性的持久性、抗蟲性相關基因發生的變化以及遺傳上的改變。通過研究已經發現抗性誘導過程中植物產生了一系列的基因表達變化，這些基因涉及到基礎生化、二級代謝、組織發育、結構分化和信號傳遞等多個環節，在長期反復刺激下甚至產生了基因的變異，其作用效果頗類似于常見的化學誘變。通過對現有優良品種進行一級初篩，再以誘導抗性為基礎進行篩選，可以提高篩選效率。

3.3遺傳基礎與遺傳改良

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

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