【水稻抗褐飞虱基因研究进展】抗褐飞虱水稻

【水稻抗褐飞虱基因研究进展】抗褐飞虱水稻 摘要：综述了水稻抗褐飞虱基因的研究进展。褐飞虱是对水稻为害最严重的害虫之一。它栖息于稻丛基部，吸食韧皮部汁液。褐飞虱具有不同的生物型。在抗性品种的选择压力下，将产生一种新的生物型褐飞虱群体克服该抗性品种。因此，寻找新的抗性基因是培育新的抗褐飞虱水稻品种的关键。合适的水稻抗褐飞虱的鉴定方法是克隆水稻抗褐飞虱基因的基础。常用的方法有苗期集团鉴定、蜜露量测定、电子取食监测系统等。迄今为止，科学家已经在栽培稻和野生稻中定位了个水稻抗褐飞虱基因，并且基因已经被武汉大学生命科学学院杂交水稻国家重点实验室成功克隆。该结果为克隆其他水稻抗褐飞虱基因以及研究水稻抗褐飞虱的分子机制奠定了基础。 关键词：水稻；褐飞虱；生物型；抗性基因 ：0439114（11）132593-05 Research Progress of Brown Planthopper Resistance Genes in Rice ， ， （ ， ， ， ） ： The research progresses （ ?， ） were summarized ， might ， ， ， ： ； ； ； 水稻是我国的重要粮食作物，水稻的产量关系到国家的粮食安全。但是，水稻也是很多昆虫的宿主，全球每年水稻产量损失的是由虫害引起的。在当前多种水稻害虫中，褐飞虱是对水稻为害最严重的害虫之一，严重威胁水稻的高产和稳产。近年来，褐飞虱在中国、日本、韩国、越南等地引起水稻的大面积减产。目前普遍认为褐飞虱对水稻的为害是造成自年以来粮食价格上涨的主要原因。由于目前种植的水稻大部分都是感褐飞虱的品种，所以主要依靠化学杀虫剂来防治褐飞虱。然而，杀虫剂对人畜均有危害，残余的化学毒物难以降解，污染环境和粮食。而且杀虫剂的过度使用杀死了褐飞虱的天敌，并使褐飞虱产生了抗药性，导致了褐飞虱的“再猖獗”。因此，最经济有效、对环境友好的防治褐飞虱的策略是：选用高产抗褐飞虱的良种，重视改善栽培措施，生产上合理布局，同时饲养和保护好褐飞虱的天敌，进行害虫综合防治（ ，）。发现、鉴定与克隆不同的抗褐飞虱基因，是培育水稻抗褐飞虱品种的重要基础研究。 褐飞虱的生物学特性 褐飞虱（ ?）是同翅目飞虱科（：）昆虫，主要分布于东亚、东南亚、南亚次大陆、澳大利亚北部及南太平洋群岛。褐飞虱的生命周期分为卵、若虫、成虫个阶段。褐飞虱的卵为香蕉形，前端尖细后端粗圆，成稍弯曲的长椭圆形。褐飞虱喜产卵于抽穗扬花期的水稻植株上，主要以卵块形式产在水稻植株下部的叶鞘内，一部分在叶片内，卵期 。若虫阶段 ，分为个时期，分别称为龄若虫。成虫暗褐色或淡褐色，体长 ，分长翅型和短翅型两种。长翅型翅发达，翅长超过腹部，体形为梭状；短翅型翅不发达，翅短于腹部，体形肥短，行为笨拙。长、短翅型的分化受基因控制，但环境因子如光照、温度、湿度、稻株营养、稻株生育期、虫口密度等因素均能影响翅型的分化。 水稻是褐飞虱的主要寄主，一些野生稻和大田中的稗草也有可能成为寄主植物。褐飞虱喜欢隐蔽、潮湿的环境，成虫、若虫一般群集在稻丛下部活动。褐飞虱大发生时，每丛?蔸基部常聚集有数千头虫，严重时引起稻株下部变黑，瘫痪倒伏，稻田成片枯萎，引起“飞虱火烧”。褐飞虱具备刺吸式口器，是典型的吸食维管束韧皮部汁液的昆虫，通过针刺和吸食水稻汁液对水稻造成直接为害。褐飞虱的成虫、若虫都能为害水稻。感褐飞虱的水稻植株在受到褐飞虱为害后，首先出现老叶片变黄，并继续扩展到所有地上部分，使植株变成褐色而死亡。从生理学角度看，褐飞虱的连续取食使韧皮部失去汁液、传导功能丧失，使光合产物向根部的运输明显受阻，进而扰乱根系的生理活动，加速叶片衰老。据测算，在中国和越南，由褐飞虱引起的水稻减产已达到了 万和万。目前普遍认为褐飞虱对水稻的为害是造成自年以来粮食价格上涨的主要原因。 本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 除直接为害外，褐飞虱还可以间接的方式为害水稻。一种是产卵刺伤植株组织，造成大量伤口，致使水稻的输导组织遭到破坏，阻碍了营养物质的输送，加速倒伏。另外褐飞虱是很多病菌的媒介，能传播或诱发水稻病害的发生。如水稻病毒病、草丛矮缩病和齿叶矮缩病，均由带毒褐飞虱传播。 褐飞虱的生物型 褐飞虱的生物型（）指同种昆虫的不同群体，它们生活在特定的寄主上，表现出不同的生存和发育能力，或者说对寄主取食和产卵具有不同的嗜好性。根据褐飞虱种群对具有不同抗性基因的标准鉴定品种的致害性反应，已有、以及孟加拉共种生物型被国际水稻研究所正式命名，以后陆续又在菲律宾的棉兰老岛、孟加拉、印度、尼泊尔、澳大利亚以及越南的九龙江等地发现新的褐飞虱致害种群。除以上这些为害水稻的生物型外，年在菲律宾和印度尼西亚还发现一种能为害李氏禾（ ）而不能为害水稻的褐飞虱种群，称之为李氏禾生物型。在已经报道的这些生物型中，以、和生物型研究最为深入。最普遍存在的生物型和生物型广泛分布于东南亚稻作区；生物型只在菲律宾国际水稻研究所实验室中分离到，在田间还未发现；目前认为生物型对水稻为害最严重，存在于印度次大陆。生物型不能为害含任何抗虫基因的品种，生物型可以为害含的抗虫品种，但不能为害含的抗虫品种。生物型可以为害含的品种。不同抗褐飞虱基因对各种褐飞虱生物型的抗、感反应见表，。 褐飞虱不同生物型的存在使得抗虫基因的鉴定复杂化，育种的难度加大。推广抗虫品种后，一旦新的生物型产生，就会使原有的抗虫品种丧失相应的抗性，造成严重的虫害。年，国际水稻研究所推出含抗虫基因的水稻品种，推广后两年，在菲律宾、印度尼西亚、所罗门群岛和越南先后出现了能为害该品种的生物型。年在这些地方改种了具有抗虫基因的品种如和，结果年就出现了能克服这一抗性的生物型。正是由于褐飞虱中有生物型与致害性的变化，因此新的抗性基因的鉴定是一项十分有意义的工作。 水稻对褐飞虱的抗性鉴定 水稻对褐飞虱的抗性鉴定方法是研究水稻对褐飞虱抗性的遗传以及克隆抗褐飞虱基因的关键。水稻抗褐飞虱的表现型主要从水稻受害程度与褐飞虱对水稻的反应两方面来判断。在材料筛选和研究中通常采用人工鉴定方法，以达到大批量、指标量化和可重复的要求：如苗期集团鉴定、虫口密度及产卵量测定、蜜露量测定等。另外， 电子刺吸仪技术则提供了一种能定量研究昆虫在植物组织内部刺探、唾液分泌和刺吸汁液等取食行为的方法。 苗期集团法（ ）是基于褐飞虱为害水稻后的综合表现的鉴定方法。它的特点是将水稻种子播于育秧盘中，在秧苗长至二叶一心时接虫， 后，当对照的植株死亡时，记录秧苗的受害情况。这种方法简便易行，试验周期短，因而被广泛采用为抗褐飞虱鉴定的标准方法。 等采用调查虫口密度与产卵数量的方法鉴定出重组自交系的一个与趋避性有关的。其具体做法是：在育秧盘中播种， 后每株留个分蘖，每株接头怀孕的短翅型雌虫，、 目测每株上的虫数， 之后齐根剪断稻株，在解剖镜下检测产卵数量。 蜜露量的测定可以反映褐飞虱对稻株取食量的大小，它也间接反映了稻株的抗虫性。其具体做法是：取一分蘖洗净置于一塑料杯中，在近根部套一圆形滤纸片，接入已饥饿 的龄若虫头，若虫取食后分泌的蜜露洒在滤纸片上， 后取出滤纸片烘干，喷上茚三酮丙酮溶液显色，计量紫红色斑块的面积。 应用电子取食监测仪检测时，将试验昆虫和植物分别与生物放大器的昆虫电极和植物电极相连接，当昆虫口针刺入植物组织时，整个回路接通。随着昆虫口针穿刺植物组织深度的不同，会引起植物组织导电性的变化，从而测定昆虫刺探和取食活动的变化（图）。这些变化经过电子转换，在系统的输出端得到一系列不同的信号，称之为刺探电位波形。Hao等21通过电子刺吸仪观察褐飞虱取食抗、感水稻的取食波形，发现褐飞虱在抗性水稻上取食韧皮部和木质部的时间明显比在感性水稻上的取食时间短。 水稻抗褐飞虱基因的定位和克隆 自世纪年代末第一次报道栽培稻是抗褐飞虱水稻品种以来，人们已经在野生稻和栽培品种中陆续发现了很多抗褐飞虱的水稻品 种，。经国际注册确认和报道的水稻抗褐飞虱基因共个，其中个为显性基因，个为隐性基 因，。从已经发现的抗性基因来看，其中有个抗性基因籼稻栽培稻品种，其余的个抗性基因野生稻，到目前为止未发现含抗褐飞虱基因的粳稻栽培稻品种。随着水稻分子遗传图谱技术的发展，个抗褐飞虱基因被定位在水稻不同的染色体位置（表）。 等从、和 份材料中鉴定出抗褐飞虱显性基因，同时发现品种的抗性受单一隐性基因控制，该基因被命名为，且与紧密连锁。被定位到第染色体上两标记和之间的 内。等将定位到第染色体上的与之间。i等26将定位在第六染色体短臂上，两个分子标记与之间约 的位置。在年被定位在第六染色体短臂与之间，与紧密连锁7。等8利用标记将精细定位于第四染色体上与之间大约 的区间内。苏昌潮等9利用标记对的连锁分析表明，位于第染色体上的与之间。等30将定位在第染色体上。、和这个抗性基因均是从药用野生稻（ ）中鉴定出的抗性基因。1将定位于第三染色体长臂上，与相距 ；定位于第四染色体的与之间，遗传距离分别为 和.0 。等2也发现源自药用野生稻的，并利用重组自交系（）和标记将定位到第三染色体上，与相距 。等运用技术，采用集团分离分析法将定位于第四染色体的与之间，个分子标记相距 。是等3从带有阔叶野生稻（ ）遗传背景的基因渗入系中鉴定出的对褐飞虱表现高抗的显现基因，最终将定位到水稻第四染色体与之间，且与仅有 的遗传距离。等4通过连锁作图和分析发现“ ”携带抗褐飞虱基因，并将其定位到第四染色体短臂的标记与之间。等5将（）定位在第染色体长臂末端的个标记与之间。等6将籼稻品种的抗褐飞虱基因（）定位在第三染色体上与之间大约.0 的区间内。等将小粒野生稻（ ）的（）基因定位在水稻第四染色体短臂上，分子标记与之间约 的区间内，将（）定位在水稻第染色体长臂上，分子标记与之间约 的区间内。 本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 从已被定位的个抗性基因在染色体上分布的特点来看，许多不同抗源材料的基因都被定位在同一染色体的同一区域，尤其对水稻第三、四、六和第染色体来说，是抗性基因高度富集的区域。以粳稻品种日本晴测序图谱为基准，、（）、（）分布在第染色体上，位于分子标记与之间大约 的区域。b（）、和（）分布在第四染色体，位于分子标记与之间大约 的区域；、B（）和分布在第四染色体的两个分子标记和之间大约 的区域。、（）、分布于第三染色体上，、分布于第六染色体上。 分子生物学以及生物信息学的发展推动了水稻抗褐飞虱分子机制的研究和抗褐飞虱基因的克隆。在已定位的个抗褐飞虱基因中，笔者所在实验室第一个报道了基因通过图位克隆法被成功地克隆出来7。基因在水稻苗期和成熟期都表现出对褐飞虱具有抗性。它编码一个蛋白，序列比较分析的结果表明，它独特的区域可能特异识别褐飞虱的侵入并激活防御反应。褐飞虱取食水稻后，基因激活了水杨酸信号途径，诱导胼胝质在筛板中沉积，从而抑制褐飞虱的取食。另外等在年提到也通过图位克隆法被克隆出来。等通过转基因验证后，证实增强了对褐飞虱的抗性。它也编码一个蛋白。但不同于其他抗性蛋白的是，它缺少了区。这两个已克隆的抗褐飞虱基因将在改善水稻育种方面起重要的作用。 _： ， ， ， （） ，：- ，： ， ， ， ： T R ： ， ， ： ， ，：- ： T ， ，：- ? ： ，：- 刘光杰，寒川一成，沈丽丽褐飞虱成虫翅型分化研究 昆虫知识，（）：- ， ，：- ， ， ， ，： ， ， ， ： ， ，：- ， （） ，： 周亦红，韩召军褐飞虱生物型研究进展：致害性变异的遗传机制昆虫知识，（）：- ， ， ， （?） ，：- ， ， ，：- ，： ， ， ， ， （） （）， ， ，： ， ， ， ， ，：- 本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 ， ， ， ， ， ， ，： 刘光杰，郑宜才，桂丽琴，等. 水稻品种抗褐飞虱鉴定方法的比较研究 浙江农业学报，（）： ， ， ， ：A ，：- ， ， ， ：- ， ， ， ，： ， ， ， （ ?） b ，：- ， ， ， （ ） ， ：- ， ， ， ， ，：.