番茄抗虫育种研究进展.doc

番茄抗虫育种研究进展中国蔬菜CHINAVEGETABLES2007(3):384241b茄抗虫育种研究进展高建昌杜永臣王孝宣国艳梅摘要番茄抗虫育种是防治害虫的一条有效途径.本文从番茄抗虫种质资源,抗虫机理以及育种策略等方面对国内外的番茄抗虫育种工作进行了综述.关键词番茄抗虫育种研究进展番茄是我国重要的蔬菜作物,世界上也广为栽培.近年来,随着我国番茄种植面积的不断扩大,病虫为害日益严重,生产上农药的使用量逐年加大.农药的使用在一定程度上防治了病虫害,但农药残留超标却危及到消费者的健康.选育优良的抗病,抗虫新品种被认为是降低农药使用量,维护农田生态平衡和生产绿色食品的有效途径.20世纪80年代国外就开展了抗虫育种的研究,我国这方面的研究正逐步开展.对番茄野生近缘种的研究发现,野生番茄中含有优异的抗虫基因.围绕野生番茄中优异抗虫基因的利用国内外做了大量工作,本文就这方面的研究作一综述.1番茄抗虫种质资源番茄野生近缘种是番茄抗虫育种的主要资源.多毛番茄,潘那利番茄,秘鲁番茄以及契斯曼尼番茄是主要的抗源.1943年,Luckwill根据腺毛类型将番茄分为I7种类型(图1).其中,I,型属于有腺体类型,其腺毛带有腺囊或腺体,通过分泌毒素驱避害虫;II,图1番茄的腺毛类型高建昌,中国农业科学院蔬菜花卉研究所,北京市海淀区中关村南大街12号,100081,Email:杜永臣.王孝宣,国艳梅,中国农业科学院蔬菜花卉研究所收稿日期:200612-0138一,V型属于无腺体类型,没有头部结构,不能分泌毒素,通过其建立的屏障防御害虫(表1).对腺毛密度的研究发现,多毛番茄中的,V,型腺毛密度大,而I,型密度小;潘那利番茄中的型密度最高;LycopersiconcheeMnanf.minor中的型密度最高.对多毛番茄,潘那利番茄,秘鲁番茄抗虫鉴定发现其具有较强的抗虫能力,能抗多种害虫(表2).其中对多毛番茄LA1777和PI134417以及潘那利番茄LA716研究较多.表1番茄野生近缘种的腺毛类型和密度注:A一浓密(>5mm);s一稀少(15mm);vS一很少(<1mm)2种质资源的抗虫鉴定2.1鉴定方法抗虫鉴定方法可分为直接鉴定和间接鉴定两种.直接鉴定又可分为田间抗性鉴定和人工接种鉴定.前者指在害虫常发地区,将收集到的种质播于田间,让害虫自然侵染,可对大量种质进行抗虫性筛选;后者指人为创造害虫发生的适宜环境(网室,接虫室等),通过人工接虫侵染的方法进行鉴定,鉴定时需注意接虫的昆虫致害力和繁殖力,实际操作中应将野外采集的与室内饲养的同一种虫混合在一起,促其异交.间接鉴定是根据与供试材料抗虫性显着相关的性状来间接估测抗虫性能.比如腺毛的类型,密度以及分泌物(如酰基糖,倍半萜烯)等.这种方法需要有大量与抗虫相关的试验作基础c4番茄的抗虫机制表2不同番茄种的抗虫种类番茄种品系抗虫种类多毛番茄PI134417叶螨(Tetranychusevansi)【8J温室白粉虱(Trialeurodesvaporariorum)【美洲棉铃虫(Heliothiszea)J马铃薯甲虫(Leptinotarsadecemlineata)【番茄蛲虫(iferialycopersicela)斑潜蝇(Lyriomi.sativae)【8J烟草天蛾(ManducaSexta)南美番茄蛲虫(Scrobipalpuloidesabsoluta)【8木虱(BactericercaParatriozacockerelli)JPI134418南美番茄蛲虫(Scrobipalpuloidesabsoluta)JLA2329甜菜夜蛾(Spodopteraexigua)LA1777甜菜夜蛾(Spodopteraexigua)烟粉虱(Bemii,tabaci/Bemisiaargentifolii)JLA1353烟粉虱(Be,ng/tabaci/Bemisiaargentifolii)潘那利番茄LA716/南美番茄蛲虫(Scrobipalpuloidesabsoluta)(123PI246502马铃薯蚜(Macrosiphumeuphorbiae)烟粉g(Bemi,i,tabaci/Bemisiaargentifolii)甜菜夜蛾(Spodopteraexigua)三叶斑潜蝇(Liriomatrifolii)美洲棉铃虫(Heliothis口)桃蚜(Myzuspersicae)LA1340烟粉虱(Bemistabaci/Bemisiaargentifolii)JLA2560烟粉虱(&眺tabaci/Bemisiaargentifolii)【J秘鲁番茄NAV29南美番茄蛲虫(Scrobipalpuloidesabsoluta)JNAVl152.2鉴定内容抗虫鉴定主要包括种质材料受损状况和害虫生长发育状况两方面的内容.种质材料受损的指标主要包括百叶潜道数,单位叶面积取食痕,叶片受害指数,卷叶株率,叶面取食量,幼苗死亡率,产量受损百分比以及果实受损率等.害虫生长发育状况是指害虫在植株上的产卵量,虫口密度,发育速度,虫体大小,死亡率等.此外,对种质材料腺毛类型以及腺毛密度调查也能反映番茄的抗虫性能.3为害番茄的害虫种类为害番茄的害虫主要是半翅目,鞘翅目,双翅目和同翅目昆虫以及螨类,包括棉铃虫,马铃薯块茎蛾,美洲斑潜蝇,苜蓿夜蛾,茄二十八星瓢虫,茄无网蚜,桃蚜,温室白粉虱,银叶粉虱,茶黄螨,番茄瘿螨等.这些害虫以番茄的茎,叶,花,果实为食,影响番茄的正常生长,最终导致产量,品质下降.而且,害虫取食后产生的伤口为病菌(病毒,真菌和细菌)侵染植株提供了机会,如蚜虫所传播的CMV,加大了病害发生的可能.已知的植物抗虫性主要有3种方式:耐虫性(tolerance),排斥性(antixenosis)和抗生性(antibiosis),其中对排斥性和抗生性的研究较多.4.1排斥性又叫非选择性(Nonpreference),是指作物所具备的物理特性(如颜色,形态,体表毛状物,表面蜡质,组织厚度等)以及产生的次生物质而导致的不利于害虫取食,产卵和寄生的防御行为.我国栽培面积较大的毛粉802番茄就是利用了体表被覆浓密茸毛的特性而达到避蚜的目的.对番茄腺毛类型及分泌物的研究证实鳞翅目,双翅目和鞘翅目昆虫在野生番茄上的产卵量低于普通番茄(表3).Snyder等认为银叶飞虱在多毛番茄上产卵量降低的主要原因是由于型腺毛所建立的天然屏障不利于害虫产卵.但是,也有研究发现有些昆虫喜欢在多毛的叶片上产卵,高密度的腺毛似乎不能防御害虫.进一步的分析发现,尽管植株上有较多的虫卵,但是腺毛所分泌的抗生物质可能抑制了成虫的生长u.4.2抗生性抗生性是指作物被害虫取食以后所产生的一种抗虫机制t4J.抗虫植物自身会产生一些化学物质,这些物质会对害虫的发育,生殖和生存产生不利影响.害虫取食后,导致害虫体形变小,躁动不安致使暴露给天敌的机会增多,从而降低其存活率.目前研究较多的野生番茄抗生性化学物质有3类:甲基酮,倍半萜烯和酰基糖.2一十三烷酮(2一tridecano1)和2一十一烷酮(2一undecanone)是多毛番茄型腺毛分泌的两类甲基酮类化合物.对甲基酮的抗虫效果研究存在一些相互矛盾的结果.Farmr等发现普通番茄之所以对害虫敏感是由于其型腺毛分泌物中缺乏这两种甲基酮,而Chatzivasileiadis等却在普通番茄中发现了这两种甲基酮.多数的研究支持甲基酮的抗虫效果,但也有试验发现天蛾(Manducasexta(L.)不受2一十三烷酮影响,而且多毛番茄对甜菜夜蛾的抗性与甲基酮的含量无关,其原因可能与甲基酮的含量水平有关.姜烯是多毛番茄型腺毛分泌的一种倍半萜烯,对Leptinotarsadeceliminata有毒害作用,但其含量对二斑叶螨的生存以及甜菜夜蛾的死亡没有影响.此外,还在多毛番茄的型腺毛分泌物中发现了8一elemene和一elemene这两种与抗虫性相关的萜类化合物.酰基糖是一类复合化学物质,由酰基蔗糖和酰基葡萄糖组成.潘那利番茄LA716的型腺毛分泌的酰基糖占其腺毛酰基糖总分泌量的90%,栽培番茄中酰基糖的含量则难以检测到.对酰基糖的抗虫性研究发现其对马铃薯蚜,斑潜蝇,棉铃虫,甜菜夜蛾,烟粉虱,桃蚜及白粉虱等害虫有抗性.番茄抗虫性不是由单一的某种机制完成的,往往综合一39了上述两种方式.植物与害虫之间的关系非常复杂,抗虫能力不仅与植株自身的物理化学特性有关,而且受环境影响非常大.抗虫能力的产生是组成型的还是诱导型的,尚有待研究.表3与排斥性相关的番茄腺毛类型及化学物质注:以普通番茄为对照5基于腺毛抗性的番茄育种策略5.1腺毛抗虫性的遗传研究利用普通番茄与野生番茄杂交后代的遗传表现是研究番茄抗虫性的主要方式.Snyder等发现普通番茄和多毛番茄的F植株上型腺毛的密度大于普通番茄,而且FVl型腺毛的头部表型,酚类及油脂含量等均介于双亲之间.Fery等的研究也指出型腺毛的头部表型介于双亲之间.Carter等利用普通番茄与多毛番茄的F:群体确定了腺毛密度与腺毛类型,叶面以及小叶长度的关系.普通番茄与潘那利番茄F.的抗虫性强于普通番茄,Goffreda对Fl,F2,BClPl,BClP2,BClFl,BClF2研究发现,源于潘那利番茄的后代对马铃薯蚜的抗性是上位性的,符合简单加性模型,不过其遗传力较低.而利用契斯曼尼作父本的F.同样表现出强于母本的抗虫特性.柴敏等对与避蚜相关的番茄多茸毛形态突变基因%的研究认为该基因的遗传为单基因控制的不完全显性遗传.对腺毛分泌物的遗传研究提供了抗虫育种的另外一条途径.Lemke等研究认为LA716中分泌酰基糖的型腺毛至少受两个非连锁基因控制.Juliano等以LA716为供体研究了酰基糖含量与叶螨抗性的遗传,发现酰基糖含量的遗传是由单一主效位点控制的不完全隐性基因,广义遗传力中等(hb2=0.476).Mutschler等在普通番茄与LA716的F:分离群体中发现了5个与酰基糖含量相关的QTLs,其中2个位于1号染色体上,其余3个分别位于3,4,11号染色体上.1999年,Blauth等在LA716与LA1912(同为潘那利番茄)的F:群体中发现了6个控制酰基糖脂肪酸含量的QTLs引.Joelson等对姜烯的遗传进行.40.了研究,发现姜烯的广义遗传力较高(h=0.678),其含量的遗传受单一主效位点控制,为不完全隐性.上述的研究多认为番茄抗虫性是由多基因控制的,且多表现为隐性.而王志民等则在多毛番茄中初步鉴定出一个抗美洲斑潜蝇的显性基因.5.2育种策略番茄抗虫育种的关键是如何有效地改善栽培番茄的抗虫性.基于此,所采用的育种方法大致可分为两类,一类是利用野生抗虫资源,另一类是抗虫基因工程.通过杂交,回交,轮回选择等常规方法以及分子标记辅助选择等方法,育种者获得了一些抗虫材料.Pankaja等对普通番茄与多毛番茄(LA1777)杂交分离得到的8O个重组近交系进行分析,获得了9份抗粉虱的中间材料J.Darlene等利用与酰基糖含量相关的5个QTLs,从普通番茄与潘那利番茄(LA716)的1000个BC,F,后代中筛选出3个含有目标标记的单株,但是这些单株的酰基糖含量低于F.【加J,这预示着还需开发新的与高水平酰基糖相关的分子标记.我国栽培面积较大的毛粉802番茄也是利用常规方法育成的.在将野生番茄的抗虫性引入栽培番茄的同时常伴随着产量降低,果实变小,品质变差等不良性状的产生.19811996年亚洲蔬菜研究和开发中心先后利用多毛番茄,潘那利番茄LA716及多毛番茄LA1777作为供体与普通番茄回交,采用田问筛选,次生代谢物含量测定及QTL辅助选择等方法,虽然得到了一些抗虫的稳定株系,但这些株系农艺性状较差,难以用于商品育种,这可能与连锁累赘以及基因的上位效应有关,此方面的研究还有待深入.利用转基因技术将外源抗虫基因转入番茄,是番茄抗虫育种的另一途径,也为利用不同物种的抗虫资源开辟了中国蔬菜CHINAVEGETABLES新途径.Mandaokar等将人工合成的杀虫晶体蛋白基因c,yl(c)转入番茄,高表达的转基因植株能抵御番茄果实钻心虫(tomatofruitborer)幼虫的为害.同样,表达crylA(b)蛋白的转基因番茄对为害番茄果实的钻心虫亦表现出杀虫效果.来自根癌农杆菌的异戊烯转移酶基因导人番茄后能抑制烟草天蛾为害,烟草的阴离子过氧化物酶基因导入番茄中可对鳞翅目和鞘翅目的某些害虫产生显着的抗性.此外,将已克隆的番茄抗线虫基因一1.2导入番茄,不仅对线虫有抗性,而且对马铃薯蚜,白粉虱以及番茄木虱也有抗性H.出于对转基因作物的安全性考虑,番茄的抗虫基因工程还停留在实验室阶段,尽管技术已经成熟.而目前对抗虫机理尚未研究清楚,加之目前研究较深入的多数为QTL,即使获得克隆自野生番茄的基因,但由于其所携带的野生不良性状太多,所以难以直接利用.这些因素制约了基因工程在抗虫育种上的直接应用.6未来研究重点目前在番茄上,只有来自野生番茄的抗根结线虫基因在育种上成功应用.其他的抗虫基因还处于探索阶段,尚无成功范例.综合国内外的研究,笔者认为我国番茄抗虫育种工作应加强以下几方面的研究.加强抗虫资源的收集及种质资源的创新.集中收集多毛番茄,潘那利番茄等抗虫性较强的野生资源,加强对骨干亲本的改造,育成一批抗虫性强的中间材料.加强抗虫机理及遗传的研究.番茄与其害虫之间的关系异常复杂,就其遗传抗性而言,既有组成型抗性也有诱导抗性.明确特定抗虫基因的作用机理及遗传规律将大大加快育种进程.综合多方面的理论技术进行育种,利用番茄分子生物学,基因组学,生物化学和遗传学等方面的理论知识,开发切实可用的分子标记,挖掘抗虫基因,与常规育种相结合,改良和创造优良的番茄抗虫品种.最后,需要提及的是,在进行抗虫育种的同时,要考虑到抗虫基因对天敌以及人体的影响.因为很多毒素不仅可以杀死昆虫,也会影响天敌的生存,食用后也会对人体有害.即抗虫育种要注意生态安全.参考文献1SimmonsAT,GurGM.TrichomesofLycopersiconspeciesandtheirhybrids:effectsonpestsandnaturalenemiesJ.AgriculturalandForestEntomology.2005,7:265276.2JLuckwillLC.ThegenusLycopersicon:Anhistorical,biologicalandtaxanomicsurveyofthewildandcultivatedtomatoesJ.AberdeenUniversityStudies,1943,120:44.3EigenbrodeSD,TrumbleJT.Antibiosistobeetarmyworm(Spo一却m)inLycopersiconaccessionsJ.Hortscience,1993,28:932934.4AntoniousGF.ProductionandquantificationofmethylketonesinwildtomatoaccessionsJ.JournalofEnvironmentalScience&HeaI廿1.PartB.Pesticides.FoodContaminantsandAgricultur-alWastes.2001,36(6):835848.5SnyderJC,SimmonsAM,ThackerRR.AttractancyandovipositionalresponseofadultBemisiaargent班(Homoptera:Aleyrodidae)totypeIVtrichomedensityonleavesofLyeopersiconhirsutumgrowninthreedaylengthregimesJ.JournalofEntomologicalScience,1998,33:270281.6GoffredaJC,MutechlerMA,TingeyWM.FeedingbehaviorofpotatoaphidaffectedbyglandulartrichomesofwildtomatoJ.EntomologiaExperimentalisetApplicata.1988,48:1011O7.7LemkeCA,MutschlerMA.InheritanceofglandulartrichomesincrossesbetweenLycopersiconesculentumandLycopersiconpenneUiiJ.JournaloftheAmericanSocietyforHorticulturalScience,1984,109:592596.8MalufWR,BarbosaLV,SantaCeciliaLVC.2一TridecanonemediatedmechanismsofresistancetotheSouthAmericantomatopinwormScrobipalpuloidesabsoluta(Meyrick,1917)(Lepidop?teraGelechiidae)inLycopersiconspp.J.Euphytica,1997,93:189194.9uD,TrumbleJInteractionsofplantresistanceandinsecticidesonthedevelopmentandsun,ivalofBactericercacockereUiSulc(Homoptera:Psyllidae)J.CropProtection,2005,24:l11一l17.(10EigenbrodeSD,TrembleJT.AntibiosistoBeetArmyworm(Spodopteraexigua)inLycopersiconaccessionsJ.Honscience,1993,28(9):932934.11MuigaiSG,BsettMJ,SchusterDJ,ScottJW.GreenhouseandfieldscreeningofwildLycopersicongermplmforresistancetothewhiteflyBemisiaargentifoliiJ.Phytoparasitica,2003,31(1):2738.(12ResendeJTV,MalufWR,CardosoMG,NelsonDL,FariaMV.InheritanceofacylsugarcontentsintomatoesderivedfromaninterspecificcrosswiththewildtomatoLycopersiconpenneUiiandtheireffectonspidermiterepellenceJ.GeneticsandMolecufarResearch,2002,1(2):106116.13吕佩珂,李明远,吴钜文,易齐,张宝棣,姜克英,文奇,李明周,王润初.中国蔬菜病虫原色图谱M.北京:中国农业出版社.1998:267273.14PainterRH.InsectResistanceinCropPlantsM.NewYork:MacmillanPress,1951.15HotberE.Typesandclassificationofinsectresistance:MaxwellFG,JenningsPR.BreedingPlantsResistanttoInsectsM.NewYork:Wiley,1980:1522.163郑贵彬,郁和平.茸毛番茄新品系的一代杂种避蚜防病(CMV)效果的初步探讨【J.中国农业科学,1986(4):5761.17】GurrGM.EffectoffoliarpubescenceonovipositionbyPhthori-rcloaoperculeUaZeller(Lepidoptem:Gelechiidae)J.PlantProtectionQuarterly.1995,10:1719.18JuvikJA,BabkaBA,TimmermannEA.InfluenceoftrichomeexudatesfromspeciesofbycopersicononovipositionbehaviorofHeliothis瑚(Boddie)J.JournalofChemicalEcology,1988,.-41?-一一一!里蔓兰呈14:12611278.19FarrarRRJr,KennedyG.InhibitionofTelenomussphingisaneggparasitoidofManducaspp.bytrichome/2一tridecanone?basedhostplantresistanceintomatoJ.EntomologiaExperi?mentalisetApplicata,1991,60:l57166.2OChatz/vasileiadisEA,BoonJJ,SabelisMW.Accumulationandturnoverof2tridecanoneinTetranychusurticaeanditsconse-quencesforresistanceofwildandcultivatedtomatoesJ.Ex-perimentalandAppliedAcarology,1999,23:lOl1一l021.21CarterCD,GianfagnaTJ,SacalisJN.Sesquiterpenesinglan-dulartfichomesofawildtomatospeciesandtoxicitytotheColo-radopotatobeetleJ.JournalofAculturalandFoodChemis-try,1989,37:l425一l428.22BurkeBA,GoldsbyG,MuddJB.Polarepicuticularlipidsofty-copersiconpennelliiJ.Phytochemistry,1987,26:25672571.23GoffredaJC,MutschlerMA,AveD,TingeyWM,SteffensJC.Aphiddeterrencebyglucoseestersinglandulartrichomeexu-datesofthewildtomato,LycopersionpennelliiJ.JChemEcol,1989,15:21352147.24HawthorneDM,ShapiroJA,TingeyWM,MutschlerMA.Trichomeborneandartificiallyappliedacylsugarsofwildtomatodeterfeedingandovipositionoftheleafminer,LiriomyzatrifoliiJ.EntomolExpAppl,1992,65:6573.(25uvikJA,ShapiroJA,YoungTE,MutschlerMA.Acylglu?COse$ofthewildtomatoLycopersiconpennelliiafterbehaviorandreducegrowthandsurvivalofHelicoverpazeaandodopteraex一J.JEconEntomol,1993,87:482492.26LiedlBE,LawsonDM,WhiteKK,ShapiroJA,CohenDE,CarsonWG,TrambleJT,MutschlerMA.AcylglucosesofthewildtomatoLycopersiconpennellii(Corr.)DAmyalterssettlingandreducesovipositionofBemisiaargentifolii(Homoptera:AI-eyrodidae)J.JEconEntomol,1995,88:742748.27Rodrigue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