煙草抗蟲機制研究進展

李慶亮 張佳 宗浩 聶磊云 李小平 李捷

摘要：煙草是重要的經濟作物，而煙草的害蟲種類在中國已達300余種，嚴重制約了煙草的生產。植物抗蟲性是防治害蟲最為經濟有效的手段，為更好了解目前國內外在煙草抗蟲機制方面的研究情況，筆者總結了煙草對害蟲的基礎性組成防御和誘導化學防御、煙草抗蟲信號途徑及分子機制。提出煙草上的主要害蟲已經由鱗翅目害蟲逐步向刺吸式害蟲轉變，而目前國內外關于煙草的抗蟲性以及抗蟲育種，是對單一害蟲的研究，因此要加大煙草對多種害蟲的綜合抗性的研究以及多抗性品種的選育工作。同時分析指出光合作用是植物防御昆蟲的一個程序化反應，在研究提高植物煙草抗蟲性以及煙草抗蟲品種選育的過程中，煙草的初級代謝過程特別是光合作用，也應該是重點考慮的方面，在煙草抗蟲性研究上應有效地進行多學科結合，從多個角度去研究闡述這個問題，特別是與植物生理學、分子生物學、煙草栽培學以及煙草育種學的結合。

關鍵詞：煙草；抗蟲性；誘導防御；信號途徑；抗性基因

中圖分類號：S433.1 文獻標志碼：A 論文編號：cjas17030047

0引言

煙草從播種、收獲到儲藏，均有多種蟲害發生，給煙草的產量與品質造成極大的危害。在中國，煙草害蟲種類已達300余種，多而廣，且危害性比較嚴重的包括地下害蟲、刺吸性害蟲、食葉性害蟲、潛蛀性害蟲、其他田間害蟲及貯煙害蟲。防治害蟲最好的也是最經濟的手段是提高植物的抗蟲性。目前，國內在煙草抗蟲性方面研究多集中于鱗翅目昆蟲取食造成的誘導防御，特別是信號途徑和防御物質方面，而刺吸式昆蟲研究較少。

1煙草對害蟲的基礎防御

1.1煙草組成型防御機制

組成型的防御機制是植物體內一直存在的防御體系，包括植物的組織結構和生理生化物質，特別是次生代謝物質。而這些次生代謝物質多分布于植物表層的防御結構（如絨毛、腺體）內。煙草葉片的腺毛及其中的次生代謝物質是目前研究較多的煙草組成型抗蟲系統，腺毛對煙草害蟲有較好的防御作用，也是目前選育抗蟲品種的一個重要的參考指標。

1.2煙草誘導型化學防御機制

1.2.1改變初級代謝產物 有大量研究證明，植物含氮量的高低均可能對害蟲產生明顯不利的影響。因此，害蟲為害后植物初級代謝產物的變化也是植物誘導防御的一種。煙蚜為害程度提高會導致葉片中總氮含量的增加，同時煙草苗期被煙蚜取食后葉片中還原糖含量增加。

1.2.2產生次級代謝產物 研究表明，煙草中葉片主要的次生代謝物質包括生物堿、酚類和萜類。其中研究較多的是煙堿。當煙草受到生物和非生物脅迫后植物體內煙堿含量就會增加。煙堿的合成受多種信號途徑調控，主要包括茉莉酸信號途徑和乙烯信號途徑。煙堿主要的合成部位在煙草根部，合成后通過維管系統傳輸到煙草的其他部位，當取樣的葉片組織中包括葉片的次脈，而不包括中脈，煙堿含量較對照增加1.7倍，而同時包括中脈和次脈的葉片組織中煙堿含量較對照增加2.6倍。但是只是葉脈受到傷害不會造成煙堿含量的任何明顯變化。這些結果表明葉脈在煙草煙堿誘導傳輸產生過程中起著重要的作用。

機械損傷和鱗翅目昆蟲均能誘導煙草煙堿含量的增加，但是鱗翅目昆蟲煙青蟲和棉鈴蟲取食誘導的煙堿含量增幅明顯低于機械損傷。而韌皮部取食昆蟲為害可能導致煙堿含量的降低，如煙蚜危害導致煙草葉片煙堿含量下降，而且煙葉的煙堿含量與大田中煙蚜的發生數量呈明顯負相關（r=0.6217）。

煙草葉片中酚類物質可能參與對刺吸式昆蟲的防御反應，B型煙粉虱為害后煙草局部蟲體葉和系統葉中總酚含量相對于各自的對照均明顯升高，而系統葉中的升高幅度明顯高于蟲體葉。B型煙粉虱為害對系統葉上后取食的蚜蟲造成明顯的不利影響，由此可以看出煙草酚類物質對煙蚜具有防御作用。

1.2.3煙草揮發物的組分 間接防御包括萜類和綠葉氣體，為局部取食的昆蟲的捕食者提供信息信號。昆蟲取食誘導的煙草揮發物還具有驅避和抑制雌蛾產卵的功能，這進一步證明煙草釋放揮發物抵制適應煙堿的昆蟲是一種優化的防御策略，也提示人為調節煙草揮發物的釋放在農業生產中可能具有現實的應用價值。機械損傷和鱗翅目昆蟲取食都會導致煙草揮發物釋放總量的增加，但不同為害處理的煙草揮發物中單個化學物的釋放量也不同。

1.2.4產生防御相關蛋白 大多數研究表明，昆蟲危害誘導的植物防御反應已經聚焦到特定的基因，蛋白質，以及代謝動力學研究。野生煙草（Nicotiana attenuate）在植食性昆蟲取食后誘導了較多的直接和間接的反應。直接防御物質包括煙堿和幾種其他代謝物質以及防御蛋白酶例如胰蛋白酶抑制劑（trypsin inhibitor，TPI）、蘇氨酸解氨酶（threonine deaminase，TD）。

當煙草天蛾（Manduea sexta）危害野生煙草時其幼蟲口腔分泌物（oral secretions，OS）中不飽和脂肪酸（fatty acid-amino acid coniugates，FACs）會分泌到傷口處，而這些FACs能夠激發與昆蟲危害誘導的相似反應。通過蛋白雙向凝膠電泳和質譜液相分析機械損傷、機械傷口涂抹FACs以及煙草天蛾幼蟲取食3個處理后煙草葉片中的防御蛋白的變化，分析FACs在煙草天蛾誘導煙草防御蛋白過程中的作用，結果表明煙草天蛾幼蟲誘導煙草葉片的防御蛋白主要是被OS中的FACs所誘導。

防御酶是植物誘導化學防御的基礎，也是植物防御有害生物的重要蛋白。過氧化物酶（peroxidase，POD）是植物細胞壁構建的關鍵酶，同時它能夠將通過將酚氧化為醌，降低葉片的可食性以及蛋白的利用率。棉鈴蟲和煙青蟲取食煙草后POD活性均升高。在煙草葉片上隨著煙蚜為害程度的加重，葉片中過氧化物同工酶酶帶增多，變寬，顏色加深。苯丙氨酸解氨酶（phenylalanin ammonialyase，PAL）是植物多個次生代謝途徑關鍵酶，PAL與植物細胞木質素的形成和沉淀以及與植物的水楊酸信號防御途徑密切相關。機械損傷能夠誘導煙草PAL活性升高。另據研究表明煙草被不同的病菌感染后PAL活性都會升高。B型煙粉虱為害后，煙草蟲體葉和系統葉中PAL活性均明顯增加。多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）可以降低植物的可食性，眾多的研究結果表明，PPO與植物的抗蟲性相關。B型煙粉虱為害后煙草局部蟲體葉和系統葉中POD和PPO活性相對于對照明顯增加，且系統葉增加的幅度明顯高于蟲體葉。脂氧合酶（lipoxygenase，LOX）是茉莉酸信號途徑的關鍵酶。棉鈴蟲和煙青蟲取食，能夠誘導其活性增加。葉片中的LOX是茉莉酸合成的關鍵酶，茉莉酸能夠引起多種植物防御反應，包括蛋白酶抑制劑（protease inhibitor，PI）。

2.2.4 JAR4/6基因 野生煙草上鑒定出一個擬南芥（JAR1）同族體命名為JAR6。通過系統進化分析JAR6與擬南芥的JAR1非常接近，同時還有最近報道的JAR4是煙草上的另一個JAR1的同族體。JA及其氨基酸共軛物，特別是JA-isoleucine（Ile），在煙草抗蟲方面起著重要的作用，JAR4/6是JA及其氨基酸共軛物形成的關鍵酶，JAR4/6調節JA與異亮氨酸、纈氨酸（valine）和亮氨酸（1eucine）3個氨基酸的共軛。使用RNAi的方法沉默JAR4/6后，JA-Ile、JA-leucine（Leu）和JA-valine含量降低。沉默JAR4/6的植株對煙草天蛾表現出易感性，外源噴施使用JA-Ile后恢復了對煙草天蛾的抗性，而使用JA-Leu或JA-Val后沒有效果。沉默JAR4/6的植株上TPIs的活性明顯降低，但是煙堿的含量沒有變化。

2.2.5萌發素基因萌發素（germins）及其類似蛋白（germin-like proteins，GLPs）在植物的抗病中起作用。當野生煙草受到煙草天蛾取食，或者機械損傷后注射器口腔分泌物，GLP基因表達明顯上調。當GLP被沉默以后，煙草天蛾取食后誘導的H₂O₂、雙萜糖苷以及胰蛋白酶抑制劑上調水平明顯降低，但是對茉莉酸和水楊酸含量沒有造成明顯影響，但是對煙草天蛾和煙盲蝽（Tupiocoris notatus）的取食行為有明顯的有利影響。

2.2.6植物合成蛋白基因 大多數害蟲為害能夠下調植物合成蛋白基因。廣食性的昆蟲斜紋夜蛾和專食性幼蟲煙草天蛾在核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/力口氧酶活化酶（ribulose-1，5-bisphosphate carboxylase/oxygenase activase，RCA）沉默的植株上生長速度明顯加快，可能是因為RCA沉默的植株減少了JA-Ile/ieu的含量，但是沉默核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶（ribulose-1，5-bisphosphate carboxylase/oxygenase，RuBPCase）基因的植株上卻沒有。從這些結果中，推斷RCA沉默的植株JA-Ile/leucine以及JA-Ile激活的防御植食性昆蟲策略可能受腺苷酸轉換的影響，或者更進一步受可利用碳的影響。在RuBPCase沉默的植株上廣食性若蟲的發育與對照沒有明顯的差別，而專食性若蟲生長的更快，這表明專食性害蟲對RuBPCase沉默植株上的防御蛋白有一定的抵抗作用。

3展望

近年來，蟲害已經成為制約煙草生產的重要因素，每年蟲害造成的煙草經濟損失在20%～30%。化學防治雖然能夠在一定程度上控制害蟲的發生，但是其造成了農業生態環境的破壞以及大量的農藥殘留，在害蟲綜合防治過程中，利用植物抗蟲性是最為經濟有效的防治途徑㈣，不僅降低了害蟲防治成本，還有利于生態環境的保護。煙草是國內主要的經濟作物，也是研究昆蟲與植物關系的重要模式植物。隨著種植習慣以及種植結構的改變，目前煙草上的主要害蟲已經由鱗翅目害蟲逐步向刺吸式害蟲轉變，目前煙粉虱、煙蚜以及綠盲蝽在煙草上為害逐年加重。國內外關于煙草的抗蟲性以及抗蟲育種，是對單一害蟲的研究，單一抗蟲品種的培育具有很強的地域和時間限制，隨著時空的變化造成煙草抗性不穩定。因此要加大煙草對多種害蟲的綜合抗性的研究以及多抗性品種的選育工作。

昆蟲取食寄主植物誘導了寄主的防御反應，但是同時也影響了植物的初級代謝過程。植物的每個生理過程的改變可能都與植物抗蟲性有關，目前昆蟲取食后對植物光合作用的影響也逐漸被重視起來，光合作用與植物的防御反應存在著怎樣的關系，這也是今后的一個研究熱點問題。昆蟲取食植物后，誘導的植物反應一般包括植物光合作用的下調。目前有報道稱，光合作用的下降不僅是植食性昆蟲為害造成植物的應激性生理反應，而且是植物誘導防御的重要組成，是植物防御昆蟲綱的一個程序化反應㈣。在擬南芥上，光合效率的降低導致了SA含量積累的增加，光合作用相關基因RCA以及RuBPCase具有對煙草天蛾和斜紋夜蛾具有明顯的防御作用。在研究提高植物煙草抗蟲性以及煙草抗蟲品種選育的過程中，煙草的初級代謝過程特別是光合作用，也應該是重點考慮的方面。因此，在煙草抗蟲性研究上應有效地進行多學科結合，從多個角度去研究闡述這個問題，特別是與植物生理學、分子生物學、煙草栽培學以及煙草育種學的結合。