甘薯（Ipomoea batatas L.）是世界重要的經(jīng)濟(jì)作物，而中國是全球最大的甘薯生產(chǎn)、消費(fèi)和出口國，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的60%以上。作為我國的特色農(nóng)產(chǎn)品，甘薯既是保障糧食安全的底線作物，也是精準(zhǔn)扶貧的優(yōu)勢作物。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(chǔ)存期均造成危害，嚴(yán)重影響甘薯的產(chǎn)量和食用品質(zhì)。甘薯小象甲在亞洲和非洲薯區(qū)發(fā)生十分嚴(yán)重，可造成10%～30%產(chǎn)量損失，嚴(yán)重時(shí)在50%以上，防范不當(dāng)易導(dǎo)致絕收，給甘薯生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)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(kuò)散至長江流域種植區(qū)，有逐年擴(kuò)大趨勢。然而，目前尚無甘薯小象甲的有效抗性資源，主要采取大量施用農(nóng)藥等化學(xué)防治，不但增加生產(chǎn)成本，還導(dǎo)致環(huán)境污染與食品安全等問題。因此，發(fā)掘甘薯自身的抗蟲基因資源，開展抗性分子機(jī)制研究，促進(jìn)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(jì)環(huán)保且可持續(xù)的發(fā)展方向，也是當(dāng)前甘薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切需求。
近年來，中國科學(xué)院華南植物園侯興亮研究員帶領(lǐng)植物發(fā)育與品質(zhì)調(diào)控研究團(tuán)隊(duì)聚焦甘薯重要性狀遺傳基礎(chǔ)與高效精準(zhǔn)育種技術(shù)的研究。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(jī)制研究進(jìn)展緩慢，有“薯道難”之稱。面對此問題，侯興亮團(tuán)隊(duì)通過與廣東海洋大學(xué)研究人員合作，花費(fèi)多年在蟲害流行嚴(yán)重的華南地區(qū)搜集不同的甘薯材料，并進(jìn)行抗蟲評(píng)價(jià)。歷經(jīng)三年田間篩選，獲得了兩份珍貴的甘薯小象甲高抗種質(zhì)。之后，他們利用抗感種質(zhì)構(gòu)建F1遺傳群體，同時(shí)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(píng)價(jià)體系，最終成功定位并克隆了兩個(gè)甘薯小象甲抗性關(guān)鍵基因SPWR1（Sweet Potato Weevil Resistance 1）和SPWR2。值得注意的是，研究者們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（非發(fā)根農(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；多種生理生化實(shí)驗(yàn)表明甘薯小象甲侵害可誘導(dǎo)SPWR1編碼的WRKY轉(zhuǎn)錄因子特異結(jié)合抗性等位基因SPWR2啟動(dòng)子的W-box元件，從而激活后者的基因表達(dá)；而SPWR2編碼的蛋白是甘薯奎尼酸合成途徑的關(guān)鍵酶，其進(jìn)一步啟動(dòng)了下游奎尼酸衍生物的生物合成，以此抵御甘薯小象甲侵害。進(jìn)一步的昆蟲理化實(shí)驗(yàn)也證明攜帶有1-羥基-奎尼酸基團(tuán)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(dòng)的抑制活性。
目前農(nóng)業(yè)上尚無小象甲甘薯抗性品種培育，此項(xiàng)研究創(chuàng)制的種質(zhì)在顯著提高抗性的同時(shí)并未降低品種原有產(chǎn)量和品質(zhì)，填補(bǔ)了國際上甘薯小象甲抗性種質(zhì)開發(fā)利用的空白。值得一提的是，奎尼酸及其衍生物在甘薯的內(nèi)源濃度下不具有對人體的藥理毒性，且在自然環(huán)境中不易殘留，含有高水平奎尼酸的天然抗蟲變異品種抗蟲性強(qiáng)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?？傊?，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(jī)理，為甘薯小象甲田間防治手段提供了新方向和新思路，對推進(jìn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)多抗的甘薯分子育種，促進(jìn)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(dòng)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)成果近期以封面故事發(fā)表在國際權(quán)威植物學(xué)期刊Nature Plants（《自然植物》）上。中國科學(xué)院華南植物園的劉旭副研究員為論文的第一作者，中國科學(xué)院華南植物園的王亞如碩士、梅果果碩士生、廖茵茵博士及廣東海洋大學(xué)朱宏波副教授為論文的共同第一作者，華南植物園侯興亮研究員為論文的通訊作者。研究得到了國家自然科學(xué)基金-廣東省聯(lián)合基金和廣東省特支計(jì)劃青年拔尖人才等項(xiàng)目支持。鏈接：www.nature.com/articles/s41477-022-01272-1
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