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害虫是农业和林业生产的大敌。据报道,每年虫害对全球作物、牧场和森林造成的经济损失高达2500亿美元。在我国农业生产中,虫害也是造成粮食损失的重要原因。为防治害虫,农民需要使用大量的农药,不但极大地增加了生产成本,而且还会对人体健康和环境安全造成严重危害。因此,培育抗虫作物品种是控制害虫危害最为绿色、经济、有效的办法。在国际上,转基因的抗虫Bt棉花和Bt玉米品种的育成和使用为防治鳞翅目害虫如棉铃虫、玉米螟的危害发挥了重要作用。然而,由于Bt作物大多只对鳞翅目害虫有效,而对其他重要害虫如蚜虫等没有效果,加之民众对转基因食品安全的担忧,因此,我国目前除了Bt棉外,这项技术尚未在粮食作物生产中加以应用。这就迫切需要利用植物自身对害虫的抗性来培育抗虫品种。不过,这种抗虫品种的选育受到了来自抗虫种质资源缺乏以及抗虫机制认识不足的严重制约。
《自然•植物》(Nature Plants,IF=10.3)于2018年5月7日以“Resistance of Rice to Insect Pests Mediated by Suppression of Serotonin Biosynthesis”为题在线发表了浙江大学联合有关单位完成的一项研究成果。该项研究以水稻为材料,发现了水稻与害虫对植株体内5-羟色胺生物合成的调控体现了水稻对害虫的抗性或感性。在植物体内,5-羟色胺和水杨酸的生物合成起自共同的源头物质分支酸;研究人员发现,两者的生物合成存在相互负调控现象,即水杨酸可以抑制5-羟色胺合成酶基因的表达从而减少5羟色胺的合成,反之亦然。当抗性水稻品种受到害虫(褐飞虱、二化螟等)为害时,水稻中合成5-羟色胺的基因CYP71A1转录不被诱导,从而导致水稻中水杨酸含量升高和5-羟色胺含量降低;而在感虫品种受到害虫为害时,害虫可促进CYP71A1的转录,从而引起水杨酸含量下降和5-羟色胺含量上升。研究中也证实,水稻中高含量的5-羟色胺有利于褐飞虱和螟虫等害虫的生长发育。因此,褐飞虱和水稻之间的“军备竞赛”在一定程度上体现在了对水稻体内5-羟色胺生物合成的调控上。
由于植物中均存在5-羟色胺和水杨酸合成代谢通路,5-羟色胺合成酶基因在不同作物中相对保守,因此,本项研究成果对水稻及其它作物的抗虫育种都具有重要指导意义。在该项研究中,作者还利用最新基因编辑技术CRISPR/Cas9快速培育出了抗褐飞虱、抗螟虫的非转基因材料,不但为水稻抗虫育种提供新的方向,也为采用基因编辑技术在其他作物中培育抗虫品种提供了思路(例如,麦类作物抗蚜虫材料的创制)。
本项研究由浙江大学农学院/水稻生物学国家重点实验室舒庆尧教授(作物所)、娄永根教授(昆虫所)、叶恭银教授(昆虫所)合作,并联合嘉兴市农科院、无锡哈勃生物种业技术研究院有限公司、英国纽卡斯尔大学(New Castle University, UK)共同完成。本项目得到国家重点研发计划、浙江省重大农业(粮食)品种选育专项、国家公益性行业(农业)专项、浙江大学大北农教育基金、浙江大学水稻及主要经济作物育种科技联盟等项目的资助。浙江大学博士后芦海平、博士生罗婷和嘉兴市农科院富昊伟研究员为共同第一作者,浙江大学舒庆尧教授、娄永根教授和英国纽卡斯尔Gatehouse AMR教授为共同通信作者。
论文链接:https://www.nature.com/articles/s41477-018-0152-7
(农业与生物技术学院)