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科学家找到对抗甘薯小象甲的基因“武器”

2023-01-05 17:15:27 | 来源: 科技日报 | 责编: 陈晨
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  你是否有过这样的经历?当你吃着甜甜的甘薯时,突然就咬到发苦的地方,特别令人恼火。“发苦是因为甘薯被甘薯小象甲咬过。”中国科学院华南植物园研究员侯兴亮介绍,“一方面是因为甘薯小象甲在甘薯里钻来钻去,留下来的排泄物比较苦;另一方面是甘薯被甘薯小象甲咬过之后,自身会产生一种防御物质把自己变苦,这样甘薯小象甲就不爱吃了。”

  甘薯小象甲是对甘薯种植业危害最大的害虫,它们通过啃咬叶蔓、蛀食薯块等方式,严重影响甘薯的产量和品质。

  近日,由侯兴亮带领的植物发育与品质调控研究团队的一项研究成果刊发在国际植物学期刊《自然·植物》上,该研究不仅首次克隆了甘薯对天敌害虫的天然抗性基因,还揭示了其下游天然抗虫物质合成的调控机理,为甘薯小象甲田间防治提供了新方向和新思路。

  虫害防范不当易致甘薯绝收

  中国是全球最大的甘薯生产、消费和出口国,产量占世界总产量的60%以上,但频繁发生的虫害已成为制约甘薯生产的主要因素。

  “甘薯小象甲虫害在亚洲、非洲薯区十分严重,可造成10%—30%的产量损失,严重时可达50%以上。在我国南方甘薯种植区,甘薯小象甲虫害一年可多代发生且世代重叠,因气候变暖,近年来该虫害已扩散至长江流域种植区,且有逐年扩大趋势。”侯兴亮说,“尤其在广东地区,甘薯小象甲非常猖獗,只要没治理好,基本上这一年农民就别想有收成了。”

  然而,目前治理甘薯小象甲主要采用喷洒农药等化学防治方法,这不仅增加生产成本,还会导致生态环境污染,引发食品安全等问题。

  “目前农业上尚无甘薯小象甲抗性品种培育。因此,发掘甘薯自身的抗虫基因资源,开展抗性分子机制研究,促进抗虫技术开发和抗性品种选育,是解决甘薯小象甲虫害最为经济环保的选择,也是当前甘薯产业发展的迫切需求。”侯兴亮表示。早在2014年,侯兴亮团队就联合广东海洋大学朱宏波副教授团队对此展开了研究。

  首次克隆甘薯小象甲抗性基因

  由于对甘薯小象甲抗性的研究基础非常薄弱,甘薯抗虫资源多样性不高,导致抗虫机制研究进展缓慢。

  该研究团队首先把突破口锁定在寻找虫害抗性关键基因上。“植物对病虫害的抗性由基因控制。如果我们能找到甘薯的虫害抗性基因,就能够有针对性地防治甘薯小象甲。”侯兴亮介绍。为此,他们历经3年在虫害严重的华南地区进行田间筛选,获得了两份珍贵的甘薯小象甲高抗种质。

  “这是全世界首次筛选到的有效高抗种质。”侯兴亮说。之后,他们利用抗感种质构建F1遗传群体,同时克服了控制条件下抗虫表型难检测、不稳定的困难,建立了稳定的甘薯小象甲抗虫可控评价体系,最终成功定位并克隆了两个甘薯小象甲抗性关键基因SPWR1和SPWR2。

  后续研究证明,SPWR1和SPWR2均正向调控甘薯对甘薯小象甲的抗性。“实验中我们发现甘薯对甘薯小象甲的抵抗,依赖一种名为奎尼酸的代谢物及其衍生物。奎尼酸广泛存在于植物体中,对人体没有毒性,但会明显抑制甘薯小象甲胰蛋白酶的活性,通俗来说,就是甘薯小象甲吃了含有这种物质的甘薯后,会不舒服,所以它们就不吃了。”侯兴亮说,“这意味着我们找到了能够育成抗虫品种甘薯的途径。”

  目前农业上尚无甘薯小象甲抗性品种培育,此项研究创制的种质在显著提高抗性的同时并未降低品种原有产量和品质,填补了国际上甘薯小象甲抗性种质开发利用的空白。

  提出绿色环保抗虫方案

  如何防治甘薯小象甲呢?由于奎尼酸及其衍生物在甘薯的内源浓度下不具有对人体的药理毒性,且在自然环境中不易残留、抗虫性强大,因此在上述研究基础上,该研究团队提出通过喷施奎尼酸及其衍生物对甘薯小象甲侵害产生抑制作用、兼具环境友好型和资源节约型的农业抗虫方案。

  另一方面,该研究团队克服了甘薯遗传转化操作难、转化率低、周期长的问题,利用甘薯自身快速增生能力,配合根癌农杆菌定向注射手段,开发了一种高效稳定的新型甘薯遗传转化方法。

  此研究对推进高产优质多抗的甘薯分子育种,促进特色高值生态农业关键技术研发和成果转化,带动甘薯产业良性发展和农民增产增收具有重要意义。

  侯兴亮透露,目前他们已联合朱宏波团队着手启动甘薯小象甲抗性品种的培育工作。

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