當期期刊封面。研究團隊供圖
近日，在國家自然科學(xué)基金-廣東省聯(lián)合基金和廣東省特支計劃青年拔尖人才等項目的支持下，中國科學(xué)院華南植物園研究員侯興亮團隊聯(lián)合廣東海洋大學(xué)副教授朱宏波，在甘薯（Ipomoea batatas L.）抗蟲遺傳基礎(chǔ)解析方面取得重要突破。相關(guān)研究以封面故事的形式發(fā)表于《自然—植物》（Nature Plants）。
【資料圖】
“該研究不僅首次克隆了甘薯天敵害蟲的天然抗性基因，還揭示了其下游天然抗蟲物質(zhì)的調(diào)控機理，為甘薯小象甲田間防治手段提供了新方向和新思路。”論文通訊作者侯興亮對《中國科學(xué)報》表示。
小象甲是甘薯種植危害最大的害蟲
甘薯是世界重要的經(jīng)濟作物，而中國是全球最大的甘薯生產(chǎn)、消費和出口國。“我國甘薯產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的60%以上，但是全世界都沒有很好的方案去解決嚴重影響甘薯產(chǎn)量和品質(zhì)的病蟲害問題。”侯興亮說。
據(jù)介紹，甘薯種植區(qū)主要分布在溫帶、熱帶和亞熱帶地區(qū)，頻繁發(fā)生的蟲害已成為制約甘薯生產(chǎn)的主要因素。甘薯小象甲是甘薯種植危害最大的害蟲，也是國際上重要的檢疫性害蟲，通過啃咬葉蔓、蛀食薯塊等，在種植期和薯塊儲存期均造成危害，嚴重影響甘薯的產(chǎn)量和食用品質(zhì)。為了防蟲，種植戶只能噴灑農(nóng)藥。
甘薯小象甲在亞洲和非洲薯區(qū)發(fā)生十分嚴重，可造成10%～30%產(chǎn)量損失，嚴重時在50%以上，防范不當易導(dǎo)致絕收，給甘薯生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟損失。在我國南方甘薯種植區(qū)一年可多代發(fā)生且世代重疊，因氣候變暖，近年來已擴散至長江流域種植區(qū)，有逐年擴大趨勢。
“目前農(nóng)業(yè)上尚無小象甲甘薯抗性品種培育，培育天然抗蟲品種是大勢所趨。”侯興亮指出，發(fā)掘甘薯自身的抗蟲基因資源，開展抗性分子機制研究，促進抗蟲技術(shù)開發(fā)和抗性品種選育，是解決甘薯小象甲蟲害最為經(jīng)濟環(huán)保且可持續(xù)的發(fā)展方向，也是當前甘薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切需求。
近年來，侯興亮帶領(lǐng)植物發(fā)育與品質(zhì)調(diào)控研究團隊聚焦甘薯重要性狀遺傳基礎(chǔ)與高效精準育種技術(shù)的研究。“我們研究創(chuàng)制的種質(zhì)在顯著提高抗性的同時并未降低品種原有產(chǎn)量和品質(zhì)，填補了國際上甘薯小象甲抗性種質(zhì)開發(fā)利用的空白。”侯興亮說。
甘薯抗蟲遺傳基礎(chǔ)解析取得新突破
由于甘薯小象甲抗性的研究基礎(chǔ)非常薄弱，甘薯抗蟲資源多樣性不高，導(dǎo)致抗蟲機制研究進展緩慢，有“薯道難”之稱。
侯興亮團隊通過與廣東海洋大學(xué)的朱宏波合作，花費多年在蟲害流行嚴重的華南地區(qū)搜集不同的甘薯材料，并進行抗蟲評價。歷經(jīng)3年田間篩選，最終找到了2份珍貴的甘薯小象甲高抗種質(zhì)。
在研究過程中，侯興亮團隊利用抗感種質(zhì)構(gòu)建F1遺傳群體，同時克服了控制條件下抗蟲表型難檢測、不穩(wěn)定的困難，建立了穩(wěn)定的甘薯小象甲抗蟲可控評價體系，最終成功定位并克隆了兩個甘薯小象甲抗性關(guān)鍵基因SPWR1（Sweet Potato Weevil Resistance 1）和SPWR2。
研究人員還克服了甘薯遺傳轉(zhuǎn)化操作難、轉(zhuǎn)化率低、周期長的問題，利用甘薯自身快速增生能力，配合根癌農(nóng)桿菌定向注射手段，開發(fā)了一種高效穩(wěn)定的新型甘薯遺傳轉(zhuǎn)化方法。隨后，大量的甘薯遺傳材料證明了SPWR1和SPWR2均正向調(diào)控甘薯小象甲抗性。
“通過實驗我們發(fā)現(xiàn)甘薯對甘薯小象甲的抵抗依賴一種名為奎尼酸的代謝物及其衍生物?？崴釋θ瞬]有毒性，但是會明顯抑制甘薯小象甲胰蛋白酶的活性，通俗來說就是甘薯小象甲吃了含有這種物質(zhì)的甘薯后，不舒服，所以它們就不吃了。”侯興亮說。
論文第一作者、中國科學(xué)院華南植物園副研究員劉旭表示，進一步的昆蟲理化實驗也證明攜帶有1-羥基-奎尼酸基團的衍生化合物均表現(xiàn)出對甘薯小象甲腸道消化酶和活動的抑制活性。“含有高水平奎尼酸的天然變異品種抗蟲性強大，展示出一種有潛力的、兼具環(huán)境友好型和資源節(jié)約型的農(nóng)業(yè)抗蟲方案。”
劉旭表示，該研究對推進高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)多抗的甘薯分子育種，促進特色高值生態(tài)農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和成果轉(zhuǎn)化，帶動甘薯產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展和農(nóng)民增產(chǎn)增收，具有重要意義。
相關(guān)論文信息：www.nature.com/articles/s41477-022-01272-1
