玉米對草地貪夜蛾的抗性機理分析

摘要：草地貪夜蛾對玉米作物產能及品質的影響極大，近年來已給非洲及亞洲部分地區帶來嚴重損失。該文分析了各地區研究結果，介紹了玉米對草地貪夜蛾的抗性機理，提出綜合多組數據分析及種內遺傳多樣性確定抗性相關基因位點的應用前景，給草地貪夜蛾防治及植物培養研究提供有價值的參考。

關鍵詞：玉米;草地貪夜蛾;抗性評估;防治前景

彭云芳. 玉米對草地貪夜蛾的抗性機理分析[J]. 農業工程技術，2019，40（14）：89+91.

自2019年草地貪夜蛾入侵中國至今已有一年時間，并有向北部地區進一步擴散的趨勢。為避免更多經濟損失，要加快草地貪夜蛾防治研究，堅持預防為主的原則，盡快完成玉米防治機理研究。

一、草地貪夜蛾物種概述

草地貪夜蛾是原生于美洲熱帶、亞熱帶地區的鱗翅目夜蛾昆蟲。2016年該品種入侵到非洲，給當地的糧食、經濟帶來極其嚴重的影響。中國于2019年1月首次在云南發現草地貪夜蛾，截至2019年6月中旬，該品種已經擴散到南方的18個省份，湖南省也發現此物種，還有隨季風遷徙到華北地區的風險。在發現草地貪夜蛾后，全國各地研究人員對草地貪夜蛾開展化學防治、生物治理、轉基因作物保護、生物種群結構、遷徙路徑等方面的研究。

二、玉米品種對草地貪夜蛾的抗性分析

與草地貪夜蛾的起源地相同，玉米也來自美洲熱帶地區，早在人類對玉米展開研究前，玉米就實現了與草地貪夜蛾的對抗及演化。但是隨著對玉米的進口及基因改造，現今高產、適口的玉米品種中，已失去了原本的基因組，對于草地貪夜蛾物種的抗性可能已經丟失。

植物對生物的脅迫抗性一般情況下存在產量的平衡關系，原本抗性較高的品種可能因適口性等原因產能嚴重不足，不利于玉米經濟發展。玉米存在較為復雜的種內遺傳，要應用育種遺傳技術提升玉米抗性的同時保證產能及適口性等農藝性狀，需要進行長期的研究與評估。

20世紀70-80年代，美國就開始了玉米草地貪夜蛾的抗性研究，并在1990年應用傳統育種方式培育出了抗性品種“Mp708”。伴隨90年代中后期轉基因抗蟲品種大規模種植，草地貪夜蛾給美國帶來的經濟損失逐漸降低，對新型抗性物種的研究重視程度葉逐年降低。但后期有報道指出，對轉基因物質產生抗性的草地貪夜蛾種群出現，2016年逐漸波及到非洲及亞洲地區，對不同玉米品種抗性的研究及后續培育工作需要全面啟動[1]。

玉米品種的抗性評測是通過在多個區域內人工投放草地貪夜蛾幼蟲同時混合玉米棒殘渣，遵循設定好的投放流程，在每株玉米的心葉投放15頭幼蟲，分別在7天、14天及24天后測量幼蟲對葉片或果實的食用量、幼蟲數量及體重，以此評定玉米品種的抗性。因玉米的種植范圍較為廣闊，試驗易受到外界因素干預，所以要在試驗設計階段就設置好對應的對照組。同時，不同的科研團隊可能對對照組的理解有所不同，設置的對照組也有所差異。陽極對照選擇通常為含有Bt毒素的轉基因品種或是“Mp708”，而陰極的對照組選擇缺乏統一標準。最后受評測的品種與對照組之間的差異，應用指標量的方差分析及Fisher最小顯著差異進行分析，對主成分分析開展比較。

從2000年開始，研究人員就應用上述方法進行品種分析，總計測試了超過60種品種，包括自交種、雜交種及地方品種對草地貪夜蛾的抗性。在持續兩年的測試中，幾種抗性較強的玉米品種都屬于熱帶地區的特有物種，這說明熱帶地區的玉米種類可能是對草地貪夜蛾可遺傳抗性的重要來源，同時也符合基于生物化學研究提出的熱帶玉米對啃食類昆蟲抗性更強的假說。

三、玉米對草地貪夜蛾的抗性機理

對抗性物種進行篩選，同時確定當中的抗性相關位點與具體基因，一方面應用傳統育種的形式提升農藝性較好的玉米品種的抗性，同時可以在后期繼續開展對抗性機制研究工作，為未來階段應用功能基因組的形式應用反向遺傳學手段提升作物抗性打好基礎。研究草地貪夜蛾抗性較高的玉米品種的抗性機理，為其他農藝性較好的玉米品種的抗性機理研究做好鋪墊。

美國在1990年通過傳統育種形式選育出了典型抗性品種“Mp708”，通過定量性狀位點定位的形式研究得出品種的抗性可能源自多個基因位點的結論。草地貪夜蛾在該品種周圍的生長速度會降低，同時該品種的葉片細胞壁中蘊含了大量的半纖維素，葉片有較高的韌性，不易被啃食，蛋白質含量敏感品系明顯降低。通過對比抗性以及感病品種愈傷組織內的蛋白組成差異，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育滯緩。后續研究可以看出，蛋白酶能夠損害草地貪夜蛾的圍食膜基質。此外，“Mp708”高抗性還可能與自身茉莉酸水平、揮發萜類代謝物沉積有關。

隨著近年來分子生物學及相關學科技術的高速發展，且在植物抗蟲領域得到了推廣及應用，研究人員對植物及蟲類之間互作分子機制的認知也更加清晰、明確且深入，同時對植物病原體感知分子機理的理論框架逐漸成形。總的來說，昆蟲的分泌液及其進食過程中產生的信號分子，可以將植物的下游分子信號傳導通路激活，包括活性氧分子、細胞膜跨膜電信號、鈣離子信號、撕裂原活化蛋白激酶信號傳導通路等都可以得到很好的運作，交匯于茉莉酸主導的植物激素信號網絡上。而處于茉莉酸信號下游的使各類反式轉錄因子，能夠對抗蟲功能的蛋白及小分子化合物起到調控作用，包括萜類、苯丙素類物質，同時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，如果昆蟲進食，則可能腸道微生物菌落平衡遭破壞，生長發育會放緩。

從長期研究可以看出，在植物及昆蟲之間適應及進化的過程中，不僅是玉米產生了高抗性，草地貪夜蛾也演化出大量針對玉米防御的應對機制。如草地貪夜蛾的唾液、分泌物、糞便內會產出影響玉米防御信號傳導的物質，阻礙抗性形成。此外，草地貪夜蛾還可以對植物的防御機理產生耐受性，如通過腸道內消化蛋白酶的改變抵抗植物分泌出的抑制蛋白，或是通過分泌特異性糖苷避免腸道內菌群失衡等[2]。

四、抗性基因位點

通過正向遺傳學技術建立起細致的基因定位所需遺傳學種群，一般需要經過幾代植物的雜交及自交才能實現，而對遺傳學種群中個體基因型層頂的深度又決定了基因定位區間大小。玉米自交屬二倍體基因組，器堿基對超過2.6G，八成以上的是轉座子等高重復序列，染色體兩端重組熱點區域的連鎖不均衡地帶甚至其堿基長僅為幾千。因此在低密度分子標記修改，玉米中低精度基因定位結果通常蘊含大量、具體的與抗性基因無關聯的其他染色體片段。

現有農藝性高的玉米品種在培育中，為提高產量去除了大段染色體，因此容易受到草地貪夜蛾侵害。伴隨基因組測序技術的發展，美國研究人員應用重測序技術開展基因判定，通過對300余種品種的研究，積累下8000萬余個單核苷酸多樣性分子標記，幾乎覆蓋到全基因范圍的標記，為全基因組關聯分析實現記憶定位做好鋪墊。而中國對此研究相比美國還有所差距，對此開展研究是全國玉米研究發展中的必經之路。此外應用正向遺傳基因定位技術需要精準的表型測定，但傳統的測量受周邊環境影響較大，同時對草地貪夜蛾的抗性研究也需要時間和經濟投入，很難獲得精準的基因位點與表型間的關系。

伴隨組學測序及代謝組學技術的發展推動，玉米抗蟲病方向的正向遺傳學定位僅能夠達到確定單一抗性基因的程度，以提升玉米品種抗性位目標，執行精準育種。研究得出的抗性基因組包括分子傳導通路中的激酶蛋白，以及特定次生代謝物合成酶。蛋白質編碼的基因通常有限定的功能域，能夠通過堿基序列進行預測。所以，篩查不同品種玉米自交抗蟲性也要考慮基因組中關聯功能基因的多樣性及表達量變化，這可能是快速鑒定玉米草地貪夜蛾抗性的方向。還要說明的是，次生代謝物合成會對植物農藝性產生影響，所以使抗性相關次生代謝物置于適當的誘導表達調控下，決定了作物抗蟲性與農藝性之間的平衡[3]。

五、結語

綜上，應用好植物自身防御機理是綜合治理草地貪夜蛾的重要一環，要盡可能在維持培育物種農藝性的基礎上，還原玉米揮發性萜類物質等抗蟲物質，做好抗蟲性及農藝性之間的平衡，保證產能、品質的前提下，推動全國玉米經濟、基因研究技術發展。

參考文獻

[1] 吳 超，張 磊，廖重宇. 草地貪夜蛾對化學農藥和Bt作物的抗性機制及其治理技術研究進展[J]. 植物保護學報2019（3）：503-513.

[2] 張丹丹，吳孔明. 國產Bt-Cry1Ab和Bt-（Cry1Ab+Vip3Aa）玉米對草地貪夜蛾的抗性測定[J]. 植物保護，2019（4）.

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