水稻抗褐飛虱基因的分子定位及其抗性機(jī)制的初探.pdf

1、褐飛虱是危害亞洲稻區(qū)的主要害蟲之一。成蟲和若蟲群集于稻叢基部，刺吸莖葉組織汁液，消耗稻株養(yǎng)分，使谷粒不飽滿，千粒重減輕，癟谷率增加;刺吸取食時(shí)分泌的凝固性唾液形成“口針鞘”，阻礙稻株體內(nèi)水分和養(yǎng)分輸導(dǎo);蟲量多、受害重時(shí)，稻株下部變黑、腐爛發(fā)臭和癱瘓倒?fàn)?，稱為“虱燒”(Hopper burn)，俗稱“冒穿”，給水稻生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的影響。此外，褐飛虱還是傳播水稻病毒病—草狀叢矮病(GrassStunt)和齒葉矮縮病(Ragged Stunt)

2、的蟲媒。
　　 長(zhǎng)期以來，對(duì)褐飛虱的防治主要依賴化學(xué)農(nóng)藥。但是廣譜殺蟲劑的長(zhǎng)期使用，在滅殺褐飛虱的同時(shí)，往往也殺死或驅(qū)趕了褐飛虱天敵，破壞了褐飛虱與天敵的生態(tài)平衡，導(dǎo)致褐飛虱數(shù)量大量增加;此外，化學(xué)藥劑的使用不可避免地對(duì)自然環(huán)境造成污染和破壞。利用品種抗性被認(rèn)為是防治褐飛虱為害的最佳途徑之一。然而，在育種家努力選育一個(gè)又一個(gè)抗蟲品種以抵抗褐飛虱為害的同時(shí)，褐飛虱生物型的改變相繼克服了水稻品種的抗性。自1973年以來，IRRI先后

3、育成和推出了具有Bph1，bph2和Bph3基因的抗褐飛虱水稻品種，對(duì)褐飛虱的防治起到了巨大的作用，然而數(shù)年后這些抗蟲品種抗性又先后喪失。因而，不斷挖掘和利用新的抗褐飛虱主基因，選育具有持久抗蟲性的水稻品種，已成為防治褐飛虱危害的首要任務(wù)。
　　 抗蟲基因的分離與克隆，不僅有助于闡明水稻抗褐飛虱的分子機(jī)制，而且可以加快其在育種中的應(yīng)用。精細(xì)定位是圖位克隆的關(guān)鍵步驟，同時(shí)抗性基因緊密連鎖分子標(biāo)記的開發(fā)與鑒定，也為抗褐飛虱基因的利用

4、提供了有利的工具。然而即使一個(gè)基因被精細(xì)定位在較小的染色體區(qū)間內(nèi)，但仍然會(huì)存在多個(gè)候選基因。但如果已經(jīng)清楚了該基因的作用機(jī)制，便可以為目標(biāo)基因的確定提供依據(jù)，加速目標(biāo)基因的分離和克隆;還將更加有利于提高其在生產(chǎn)上的利用效率。
　　 抗蟲機(jī)制的激活往往涉及到一系列的信號(hào)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，而現(xiàn)有的研究表明，系統(tǒng)素、茉莉酸、水楊酸、ABA、乙烯和一些過氧化物等信號(hào)分子在植物的抗蟲調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中起著十分重要的作用.
　　 本研究從抗蟲的三機(jī)

5、制（趨避性，抗生性和耐蟲性）對(duì)12份抗蟲品種的抗性類型進(jìn)行了劃分，為后面的基因分離奠定了一定的基礎(chǔ);完成了一個(gè)耐蟲主基因BPH20的精細(xì)定位;研究了褐飛虱取食對(duì)SA，JA和乙烯合成關(guān)鍵酶活性及過氧化氫含量的影響，并構(gòu)建了SA，JA和乙烯合成相關(guān)基因的干擾載體，獲得了相應(yīng)的轉(zhuǎn)基因植株;全面闡述了NO作為一個(gè)重要的信號(hào)分子參與了水稻對(duì)褐飛虱的防御反應(yīng);同時(shí)，分析了一個(gè)越南抗褐飛虱品種抗褐飛虱的遺傳基礎(chǔ)。有關(guān)研究結(jié)果如下:
　　 1抗

6、褐飛虱水稻品種上褐飛虱取食行為研究
　　 從水稻抗蟲的三種機(jī)制:抗生性(antibiosis)、趨避性（antixosis）、耐蟲性(tolerance.)入手，評(píng)價(jià)了褐飛虱在12份抗褐飛虱水稻品種上的取食行為。RH（BPH3）和Balamawee(BPH9)表現(xiàn)較強(qiáng)的抗生性和趨避性;之前的報(bào)道認(rèn)為Kaharamana, Pokkali和Balamawee都含有同一個(gè)顯性抗褐飛虱基因BPH9，但褐飛虱在Balamawee上的取食

7、行為與Kaharamana和Pokkali存在顯著的差異。Col.5在分蘗的抗生性顯著強(qiáng)于苗期抗性，表明其含有的抗性基因受發(fā)育調(diào)控。本研究將測(cè)試水稻品種苗期對(duì)褐飛虱的抗性劃分為四種類型:RH和Balamawee屬于抗生性或趨避性水稻品種;DV85，Pokkali，Karhamana, Col.5，Col.11和Chin Saba屬于耐蟲性品種;TN1，NJ11和Kinmaze屬于感蟲品種，其他品種為兼抗品種。
　　 2抗褐飛虱主

8、基因BPH20的精細(xì)定位
　　 DV85為一高抗褐飛虱的秈稻品種，其抗性受一對(duì)顯性基因控制，之前的研究將該基因定位在第十一染色體，將其命名為BPH20，通過對(duì)其抗褐飛虱機(jī)制的評(píng)價(jià)，表明該品種為一耐蟲性的水稻品種，并不具有較強(qiáng)的抗生性和趨避性。為完成該基因的精細(xì)定位，我們構(gòu)建了BPH20的高密度連鎖圖譜。利用與BPH20緊密連鎖的分子標(biāo)記分別從4025株DV85/Kinmaze和5926株DV85/9311F2中選取重組個(gè)體，最終

9、將該基因精細(xì)定位在兩InDel標(biāo)記Inde159和Inde166之間，約28Kb的區(qū)間內(nèi)。
　　 3越南秈稻品種YAGYAW(YA)抗褐飛虱基因的定位
　　 為了發(fā)掘新的抗源，本研究分析了一個(gè)抗褐飛虱越南地方品種抗褐飛虱的遺傳基礎(chǔ)。利用抗褐飛虱越南地方品種YAGYAW與感蟲品種Cpslo17構(gòu)建了包含有180個(gè)單株的F2群體，并構(gòu)建了全基因組連鎖圖譜，結(jié)合180個(gè)F2∶3家系的抗褐飛虱表型。結(jié)果分別在第2、4、7和11染

10、色體上檢測(cè)到四個(gè)抗褐飛虱位點(diǎn)，貢獻(xiàn)率為8.7％-16.5％，四個(gè)抗性位點(diǎn)均來自抗蟲品種YAGYAW，其中在第2染色體上檢測(cè)到的QTL可能為一個(gè)新的抗蟲位點(diǎn)。第2染色體上檢測(cè)到的新抗蟲位點(diǎn)為抗褐飛虱水稻育種提供了新的抗源。
　　 4褐飛虱刺吸誘導(dǎo)水稻防御相關(guān)酶的活性變化
　　 褐飛虱刺吸導(dǎo)致稻株體內(nèi)丙二醛含量迅速上升，表明褐飛虱刺吸引起了水稻植株膜脂的過氧化;抗蟲和感蟲品種植株體內(nèi)脂氧合酶(LOX)、脂氫過氧化物裂解酶(H

11、PL)、苯丙氨酸解氨酶(PAL)的活性均顯著升高;而過氧化氫酶(CAT)活性在抗蟲品種稻株體內(nèi)明顯受抑制，H2O2含量提高，但在感蟲品種植株體內(nèi)CAT的活性略有提高，H2O2含量略有下降。對(duì)抗蟲品種植株不同器官的測(cè)定結(jié)果表明，褐飛虱刺吸對(duì)PAL和H2O2的影響是系統(tǒng)性的，而對(duì)LOX的影響則僅局限于褐飛虱刺吸部位的莖桿中。并利用RNAi技術(shù)獲得了PAL，AOS和ACC敲除的轉(zhuǎn)基因植株，這三個(gè)基因敲除轉(zhuǎn)基因材料的獲得將有利于闡明SA，JA及

12、乙烯途徑在水稻抗褐飛虱反應(yīng)中的作用。
　　 5一氧化氮(Nitric oxide)的產(chǎn)生參與了水稻抗褐飛虱防御反應(yīng)
　　 研究發(fā)現(xiàn)褐飛虱取食增加了抗、感品種葉片和莖桿中內(nèi)源一氧化氮的含量;但根中一氧化氮的含量在抗、感品種中的變化存在差異，抗蟲品種根中NO的含量顯著增加，但感蟲品種中NO的含量不但沒有增加，反而有所下降。褐飛虱取食一小時(shí)后，在褐飛虱取食部位莖桿的韌皮部檢測(cè)到有NO的釋放。通過表達(dá)譜分析和酶活力測(cè)定，表明褐飛

13、虱取食誘導(dǎo)產(chǎn)生的NO可能部分依賴于一氧化氮合酶（nitric oxide synthase）途徑，而并不依賴于硝酸還原酶（nitrate reductase），此外，可能還有其他途徑也參與了該過程中NO的合成。NO可以通過影響水稻氣孔的關(guān)閉，改變根系的形態(tài)建成，有效的降低褐飛虱取食造成的植株水分損失，降低植株的死亡率，而且還可以誘導(dǎo)干旱脅迫相關(guān)基因的表達(dá)，降低株高，延緩葉片的衰老。綜上所述，NO可能作為一個(gè)重要的信號(hào)分子參與了水稻的抗褐