當期期刊封面。研究團隊供圖
近日，在國家自然科學基金-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，中國科學院華南植物園研究員侯興亮團隊聯(lián)合廣東海洋大學副教授朱宏波，在甘薯（Ipomoea batatas L.）抗蟲遺傳基礎解析方面取得重要突破。相關研究以封面故事的形式發(fā)表于《自然—植物》（Nature Plants）。
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“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的調控機理，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。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，侯興亮帶領植物發(fā)育與品質調控研究團隊聚焦甘薯重要性狀遺傳基礎與高效精準育種技術的研究。“我們研究創(chuàng)制的種質在顯著提高抗性的同時并未降低品種原有產(chǎn)量和品質，填補了國際上甘薯小象甲抗性種質開發(fā)利用的空白。”侯興亮說。
甘薯抗蟲遺傳基礎解析取得新突破
由于甘薯小象甲抗性的研究基礎非常薄弱，甘薯抗蟲資源多樣性不高，導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。
在研究過程中，侯興亮團隊利用抗感種質構建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鍵基因SPWR1（Sweet Potato Weevil Resistance 1）和SPWR2。
研究人員還克服了甘薯遺傳轉化操作難、轉化率低、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化方法。隨后，大量的甘薯遺傳材料證明了SPWR1和SPWR2均正向調控甘薯小象甲抗性。
“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。奎尼酸對人并沒有毒性，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)質多抗的甘薯分子育種，促進特色高值生態(tài)農(nóng)業(yè)關鍵技術研發(fā)和成果轉化，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。
相關論文信息：www.nature.com/articles/s41477-022-01272-1
標簽： 中國科學院華南植物園研究員
