植物化學(xué)抗蟲性的遺傳學(xué)研究進(jìn)展

第36卷第5期2000年9月林業(yè)科學(xué)SCIENTIASILVAESINICAEVol36,No5Sep.,2000收稿日期:19990507?；痦?xiàng)目:引進(jìn)國際先進(jìn)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(948:楊樹抗病蟲害育種新技術(shù)引進(jìn)(96424。植物化學(xué)抗蟲性的遺傳學(xué)研究進(jìn)展房建軍韓一凡(中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所北京100091摘要:植物產(chǎn)生的特異次生代謝產(chǎn)物是植物抗蟲的化學(xué)基礎(chǔ),本文綜述了近幾十年來與植物抗蟲有關(guān)化學(xué)物質(zhì)的遺傳學(xué)研究的結(jié)果。同其它植物性狀一樣,植物次生代謝產(chǎn)物的變異也是受遺傳控制的;由于次生代謝物的產(chǎn)生是整個(gè)合成途徑中大量酶協(xié)同作用的結(jié)果,因此大多表現(xiàn)為數(shù)量性狀,受多基因控制;次生代謝由主代謝分支而來,必然受到主代謝的控制,其變異的幅度是有限的;某種化學(xué)物質(zhì)只對特定的昆蟲種或亞種起作用,表現(xiàn)為化學(xué)抗性的專一性;近幾年生物技術(shù)和分子數(shù)量遺傳的發(fā)展為數(shù)量性狀的研究提供了新的契機(jī),一些農(nóng)作物的抗蟲性狀數(shù)量基因定位工作也得已開展。文中分析了數(shù)量性狀基因定位的長處,以典型實(shí)例說明了數(shù)量性狀基因定位技術(shù)對以化學(xué)物質(zhì)介導(dǎo)的植物抗蟲性的研究進(jìn)展。關(guān)鍵詞:遺傳,植物次生代謝產(chǎn)物,抗蟲,數(shù)量性狀定位GENETICSOFSECONDARYMETABOLITESANDPESTRESISTANCEOFPLANTFangJianjunHanYifan(TheResearchinstituteofForestry,CAFBeijing100091Abstract:Theplantsecondarymetabolitescontributetotheplantdefensesbases,sothegeneticresultonthesecondarymetabolitesofrecentdecadesissummarizedinthepaper.Asothertraits,thevariationofplantsecondarymetabolitesisundergeneticcontroltoo.Inmostcase,theproductionofsecondarycompoundistheresultofthecoordinatedactionofamultitudeofenzymesalongapathway,sothephenotypeofcompoundsshowquantitativefashionandundermultigenicorpolygeniccontrol.Becauseoftheinevitablelinkagesbetweenprimarymetabolismandsecondary,therearelimitsonchemicalvariability.Certainkindofcompoundiseffectivetocertaininsectspeciesevensubspeciesonly,sothechemicalinsectresistancemeansspecificresistanceandiscomplicated.Byrecentadvancesinmoleculargeneticsandbiotechnology,thedevelopmentofquantitativegeneticsandinsectresistancebreedinggotnewadvance.Asmostofthephytochemicalcharactersareinheritedinquantitativefashionandregulatedbypolygenes,byusingthequantitativetraitloci(QTLstechnique,theprogressaboutthephytochemicalmediatedinsectresistanceweremade,thedetailsaregivenbyIllustratingwithmaincrops.Keywords:Genetics,Secondarymetabolites,Pestresistance,Quantitativetraitloci植物在長期的進(jìn)化過程中已經(jīng)形成了一定抵抗不良環(huán)境的能力,其中抵抗昆蟲破壞的能力被稱之為抗蟲性?？瓜x性這一性狀有的屬質(zhì)量性狀,有的屬數(shù)量性狀,已有很多專著加以論述(Smith,1989;Dhan,1986。植物之所以抗蟲,有其物質(zhì)基礎(chǔ)。植物抗蟲性的基礎(chǔ)歸為生物化學(xué)基礎(chǔ)和形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)兩大類。其中植物的生物化學(xué)特性是抗蟲性的一類重要基礎(chǔ),因?yàn)樗坏苯佑绊懤ハx的食物營養(yǎng)與可消化性、昆蟲取食定向性、棲居和產(chǎn)卵,還間接影響其它特征。Fraenkel(1959就提出植物抗蟲性不是植物的基本營養(yǎng)差異造成的,植物對昆蟲的抗性是基于植物組織內(nèi)存在的特異次生物質(zhì)。Kennedy(1965對這一理論進(jìn)行了修正,認(rèn)為營養(yǎng)成分也是決定昆蟲食性的一種因素。早在1951年,Painter的重要著作InsectResistanceinCropPlant中就記述了Roach在1937年就有了對蘋果綿蚜(Eriosmalanigerum不同感蟲性蘋果品種化學(xué)分析的初步嘗試。由于40年代化學(xué)殺蟲劑的出現(xiàn),植物抗蟲性的工作受到擱置。70~80年代,對植物次生代謝物的研究成為昆蟲化學(xué)生態(tài)的研究重點(diǎn)。較重要的研究在主要的農(nóng)作物上,如玉米(Zeamays中配基2,4二羥基7甲氧基2H1,4苯并惡唑啉3酮(2,4dihydroxy7methoxy2H1,4benzoxazin3(4Hone,DIMBOA,俗稱丁布是第一代歐洲玉米螟(Ostrinianubilalis幼蟲的主要忌避劑和取食抑制劑(Klunetal.,1967。棉子酚(gossypol是一些棉花害蟲例如豆芫菁(Epicautaspp.的抑制因素(AbouDonia,1989。歐洲油菜(Brassicanapus中芥子油苷(glucosinolates與蘿卜蚜(Lipaphiserysimi產(chǎn)卵力負(fù)相關(guān)(Malik,1983。馬鈴薯(SolanumSpp.中的生物堿(alkaloids對馬鈴薯甲蟲(Leptinotarsadecemlineata和蠶豆微葉蟬(Empoascafabae有抗性(Harborne,1988;Sanford,1990。山核桃(Caryaspp.中的胡桃酮(juglone是波紋棘脛小蠹(Scolytusmultistriatus的忌避劑(Gilbert,1967。Harborne(1982綜合報(bào)道了已明確其化學(xué)結(jié)構(gòu)的植物次生物質(zhì)超過12000種,以生物堿、萜類和黃酮類物質(zhì)為主。1植物次生代謝產(chǎn)物的種內(nèi)變異是受遺傳控制的半個(gè)多世紀(jì)以來,很多研究者致力于植物次生代謝產(chǎn)物的遺傳學(xué)研究,得出一些有價(jià)值的成果。但總起來講,這種研究報(bào)道較少,且主要是以重要的經(jīng)濟(jì)作物為研究對象。實(shí)際上,遺傳學(xué)產(chǎn)生以前,植物化學(xué)變化的遺傳特性就已被人們認(rèn)識到。盡管孟德爾可能沒有意識到構(gòu)成花色的植物化學(xué)基礎(chǔ),但他在植物遺傳學(xué)的開創(chuàng)性研究中已經(jīng)應(yīng)用了這一點(diǎn)。眾所周知,對于豌豆(Pisumsativum,花色的遺傳方式是以孟德爾方式遺傳的,如紅花豌豆與白花豌豆雜交,按分離規(guī)律,子代中產(chǎn)生一定比例的幾種個(gè)體。直到1978年,Waller和Nowacki才深入研究發(fā)現(xiàn)形成豌豆花色的花色素苷的遺傳方式是顯性遺傳方式。同其它性狀一樣,植物化學(xué)性狀也是質(zhì)量性狀或數(shù)量性狀。質(zhì)量性狀通常受到寡基因(少數(shù)主基因控制;數(shù)量性狀受多基因(多個(gè)微效基因控制。用基因表達(dá)的術(shù)語說,在單基因位點(diǎn),性狀可能是顯性、隱性或加性。早期的研究多注重質(zhì)量性狀,因?yàn)橄鄬Χ再|(zhì)量性狀的研究容易些:數(shù)量性狀雜交產(chǎn)生的子代呈連續(xù)的變異,不容易象質(zhì)量性狀那樣進(jìn)行歸類;質(zhì)量性狀可一次雜交便可得到結(jié)果,數(shù)量性狀則不然,除非這些性狀呈加性遺傳;質(zhì)量性狀不易受環(huán)境影響,對于數(shù)量性狀,微小的環(huán)境影響可能掩蓋了由于遺傳因素帶來的表型差異。通常,只有化學(xué)性狀同昆蟲行為有關(guān)聯(lián),才能稱得上化學(xué)抗蟲性。一個(gè)很好的例證是在玉米對歐洲玉米螟的抗性中,化學(xué)物質(zhì)變異同抗蟲性的相互關(guān)聯(lián)是直接而明確的。早在1957年,人們就曾懷疑玉米對歐洲玉米螟的抗性是由于化學(xué)物質(zhì)引起的,很可能是氧肟酸(如:DIMBOA以及它的衍生物。至少一個(gè)品系的玉米,氧肟酸濃度是單個(gè)顯性基因bx控制的;在另外一個(gè)自交系內(nèi),屬數(shù)量遺傳,受到2~5個(gè)位點(diǎn)控制(Dunnetal.,1981。依據(jù)變異,氧肟酸的水平受到環(huán)境因素包括光強(qiáng)、溫度、鐵離子和氮濃度等的影響。用人工食物混合植物組織進(jìn)行蟲試,氧肟酸的前體MBOA(6甲氧基苯并惡唑啉酮的濃度不但與幼蟲死亡率有關(guān),還能減少產(chǎn)卵力(Niemeyer,1988。在田間試驗(yàn),自交系玉米的葉片對一代玉米螟抗性與氧肟酸的水平相關(guān)(Klunetal.,1968。在某些品種中,當(dāng)植物年齡增大,氧肟酸水平下降,抗性隨之下降。研究者著手了一系列高含量DIMBOA的自交系的選擇。棉子酚(gossypol存在于棉花的色素腺內(nèi),人工接蟲證明對幾種昆蟲有毒性,如煙芽夜蛾(Heliothisvirescens和美洲棉鈴蟲(H.zea(Maxwell,1965。Singh(1972發(fā)現(xiàn)花芽中棉酚的含量由起累加作用的多個(gè)基因控制,廣義遺傳力h2=0.730.86。White(1982認(rèn)為棉酚、縮合單寧、黃酮花色素甙類均由起累加作用的基因所控制。另一個(gè)典型的例子是番茄中存在的次生代謝產(chǎn)物,詳見下文。表1列出遠(yuǎn)未詳盡的植物次生代謝物的簡單的遺傳方式匯編(Berenbaumetal.,1992。生物堿產(chǎn)生的遺傳特點(diǎn)可看作典型的次生代謝的基因表達(dá)方式。如在羽扇豆屬(Lupinus中,至少18個(gè)基因位點(diǎn)暫定為可影響某特定的生物堿產(chǎn)生,表現(xiàn)為生物堿的有或無。在L.albus中兩個(gè)位點(diǎn)決定合成的減少。而L.primus中可減少90%,L.tertius可減少98%。而在煙草中生物堿的產(chǎn)生卻不同。高濃度生物堿的產(chǎn)生是受隱性基因控制的(Walleretal.,1978。由此可見,植物次生代謝物的產(chǎn)生具很強(qiáng)的種屬特異性,即使是同一物質(zhì),其遺傳方式也隨植物種、品種的不同而不同。其實(shí),真正符合孟德爾方式遺傳的植物次生代謝物,與其說是規(guī)律不如說是例外。次生代謝物產(chǎn)生是整個(gè)合成途徑中大量酶協(xié)同作用的結(jié)果。參與合成的所有基因必須在整個(gè)路徑中協(xié)同作用才能得到產(chǎn)物。而且合成體系之外的酶本身可能對次生代謝的表型產(chǎn)生重要影響;基因表達(dá)產(chǎn)物涉及到酶的結(jié)合、轉(zhuǎn)運(yùn)、在貯藏器官內(nèi)積累等等,都可能造成次生代謝產(chǎn)物在可觀測到的數(shù)量上的變化。鑒于單基因經(jīng)常只表明某產(chǎn)物的有或無,而數(shù)量性狀經(jīng)常反映多個(gè)基因的共同作用,因此此類研究更頃向于數(shù)量遺傳研究方法。遺傳力是對表型中遺傳分量的估計(jì),廣義遺傳力包括所有遺傳因素,包括加性的和非加性的(顯性的和上位的效應(yīng),而狹義遺傳力是只對加性效應(yīng)影響的估計(jì)。表2列出了一些化合93第5期房建軍等:植物化學(xué)抗蟲性的遺傳學(xué)研究進(jìn)展94林業(yè)科學(xué)36卷物的遺傳力(Berenbaum,1992;Orians,1996;NicholsOrians,1993;Henson,1984;Singh,1972,盡管遺傳分量可從0~1范圍內(nèi)變化,許多化合物變異水平已超過50%,表明遺傳因素在次生代謝表型上的重大影響。表1一些次生代謝產(chǎn)物的遺傳方式Tab.1Geneticpatternsofinheritanceofsecondarycompounds化合物Compound基因Gene表達(dá)Expression植物屬Genus丁布DIMBOAtx主基因部分顯性Majorpartiallydominant玉蜀黍?qū)賈ea丁布DIMBOA5位點(diǎn)5loci數(shù)量Quantitative玉蜀黍?qū)賈ea葫蘆素Cucurbitacinsbi顯性Dominant南瓜屬Cucurbita生氰糖甙Cyanoglucosideac,li顯性Dominant車軸草屬Trifolium單萜MonoterpenesC,A,R,E,lm顯性Dominant薄荷屬M(fèi)entha單萜Monoterpenest1,t2顯性Dominant天竺葵屬PelargoniumPhenylpropanoidsD,E顯性Dominant紫蘇屬Perilla植物凝集素LectinsP,B顯性Dominant菜豆屬Phaseolus十三烷酮Tridecanone3位點(diǎn)3loci數(shù)量Quantitative番茄屬LycopersiconBisaboloids3位點(diǎn)3loci不完全顯性Incompletedominant母菊屬M(fèi)stricaria蜀黍氰苷Dhurrin1位點(diǎn)1loci不完全顯性Incompletedominant蜀黍?qū)賁orghumRaimondal1位點(diǎn)1loci顯性Dominant棉屬Gossypium生物堿Alkaloids2位點(diǎn)2loci顯性,加性Dominantandadditive煙草屬Nicotiana萜烯Terpenes8位點(diǎn)8loci顯性Dominant薄荷屬M(fèi)entha表2一些次生代謝產(chǎn)物的數(shù)量遺傳參數(shù)Tab.2Quantitativegeneticsofsecondarycompondproduction化合物Compound遺傳力!Heritability植物屬名Genus黃酮甙Flavoneglycoside0.80c玉蜀黍?qū)賈ea棉酚Gossypol0.730.86c棉屬Gossypium蒎烯Alphapinene0a松屬Pinus蒎烯Betapinene0a松屬Pinus3蒈烯3carene>1.00a松屬Pinus香葉烯Myrcene0.44a松屬Pinus萜二烯1,8Limonene0.36a松屬Pinus酚Phenolics0.77-0.91李屬Prunus吲哚生物堿Indolealkaloids0.70b草蘆屬Phalaris生物堿Alkaloids0.19-0.70c草蘆屬Phalaris單寧Tannins0.66兵豆屬Lens蘆竹堿Gramine0.72a草蘆屬Phalaris大麥芽堿Hordenine0.53a草蘆屬Phalaris蠶豆嘧啶葡糖苷Vicine0.45野豌豆屬Vicia康蠶豆辛Convicine0.66野豌豆屬Vicia單寧Tannins0.48-0.97c菜豆屬Phaseolus呋喃香豆素Furanocoumarins0.08-0.91b防風(fēng)屬Pastinaca吡咯雙烷類生物堿Pyrrolizidinealkaloids0.52-1.00b千果光屬Senecio2?cinnamoylsalicortin0.41c,0.59b柳屬Salixsalicortin0.24c,0.20b柳屬Salix!:a同胞分析得出的狹義遺傳力,b親子代分析得出的狹義遺傳力,c廣義遺傳力。a:Narrowsensefromsibanalysis.b:Narrowsensefromparentoffspringanalysis,c:Broadsense.實(shí)際上,植物經(jīng)誘導(dǎo)產(chǎn)生的化學(xué)抗性并未被人們很好認(rèn)識,上述化學(xué)物質(zhì)的測定均是組成型物質(zhì)的含量。很多文獻(xiàn)記載了植食動(dòng)物對某些特定化合物的誘導(dǎo)作用(Karbanetal.,1989。如表3中列出了一些誘導(dǎo)產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)。在對歐洲防風(fēng)(Pastinacasativa中,這種誘導(dǎo)性的遺傳基礎(chǔ)已被證實(shí)。Zangerl和Berenbaum(1990發(fā)現(xiàn)兩群體葉片中組成型與誘導(dǎo)型的呋喃香豆素水平的遺傳力差異很大。表3一些經(jīng)植食動(dòng)物誘導(dǎo)產(chǎn)生的次生代謝物質(zhì)Tab.3Thesecondarycompoundsinducedbyherbivory化合物Compound植物屬名Genus文獻(xiàn)References蛋白酶抑制劑Proteinaseinhibitor番茄屬LycopersiconGreen,etal.,1972芥子油苷Glucosinolate蕓苔屬BrassicaLammerinketal.,1984葫蘆素Cucurbitacin南瓜屬CucurbitaTallamy,1985生物堿Alkaloid煙草屬NicotianaBaldwin,1988呋喃香豆素Furanocoumarin防風(fēng)屬PastinacaZangerl,1990酚Phenolic樺木屬BetulaHaukiojaetal.,1985酚甙Phenolicglycosides楊屬PopulusClausenetal.,1989人們很早便想到測定抗性材料中的化學(xué)成分,找到對昆蟲起毒負(fù)作用的物質(zhì),但很多次生代謝產(chǎn)物不僅含量少,且化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定。在化學(xué)測定的實(shí)施中,要經(jīng)過繁雜的分離、提純過程,這樣往往造成測定的結(jié)果與活體植物相差甚遠(yuǎn)。如早期認(rèn)為玉米抗一代歐洲玉米螟與MBOA(6甲氧基苯并惡唑啉酮有關(guān),后來才證實(shí)它是丁布(DIMBOA的分解產(chǎn)物,而真正起作用的丁布是不穩(wěn)定的化學(xué)物質(zhì),鑒定工作十分復(fù)雜,無法應(yīng)用于實(shí)踐(Klun,1967。在楊柳科植物酚甙類物質(zhì)的研究中也遇到類似的情況(Bryant,1987;Lindroth,1997,本來完整的酚甙salicortin,tremulacin才對昆蟲有作用,但它們本身易于分解,尤其是在水的環(huán)境中更使分解加速,早期的測定通過復(fù)雜的前處理,測定到的物質(zhì)均為其分解產(chǎn)物水楊甙、兒茶酚等,故不能說明問題。由于基因的多效性、連鎖或上位效應(yīng),化學(xué)特性同昆蟲行為的表型關(guān)系可能會隱藏真正的抗性機(jī)制。例如:葫蘆素是葫蘆科等一些植物中產(chǎn)生的一種非?？嗟娜祁惢衔?在黃瓜(Cucumissativa中,苦味的產(chǎn)生受到主基因bi的控制,盡管苦味的程度與葫蘆素C的濃度密切相關(guān),DaCosta(1971等報(bào)導(dǎo)苦味與對二斑葉螨(Tetranychusurticae的抗性有關(guān)。對抗性的選擇可引起葫蘆素含量的顯著上升。但后來的報(bào)導(dǎo)證實(shí)bi基因與植物受傷害的指標(biāo)相關(guān),但與感蟲性和產(chǎn)卵不相關(guān)。作者認(rèn)為bi基因可能還與未知的基因連鎖(DePonti,1980。既然很多實(shí)例說明次生代謝產(chǎn)物的確存在可遺傳的變異,這些次生代謝產(chǎn)物對昆蟲又有負(fù)作用,昆蟲又不能完全適應(yīng)這些物質(zhì),為什么以化學(xué)特性為基礎(chǔ)的研究報(bào)道并不是非常多呢?因?yàn)榇紊x產(chǎn)物的產(chǎn)生受到諸多限制。首先,次生代謝是從主代謝分支而來,多種途徑與主代謝縱橫交錯(cuò),有些物質(zhì)本身對維持生命又非必需,必然會受到主代謝的控制。一條合成途徑的變化必然會影響另一條途徑。如苯丙氨酸解氨酶(PAL,它不僅是合成黃酮、木質(zhì)素、水楊酸等的中間酶,還在芳香族氨基酸代謝中起重要作用,成為連接主次代謝的紐帶(Bennett,1994,一條途徑產(chǎn)生變化,必然帶動(dòng)其它途徑。其次,多種物質(zhì)來源于一個(gè)共同的前體,存在竟?fàn)幍孜锏默F(xiàn)象。如苯丙氨酸同時(shí)是類黃黃酮、花色素苷、木質(zhì)素、香豆素、水楊酸、兒茶酚、水楊醇、植物抗毒素的前體,一種產(chǎn)物增多另一種勢必會減少。第3,還有能量的限制,如在煙草中,選擇高產(chǎn),則生物堿含量低;選擇高生物堿,而產(chǎn)量下降(Matzingeretal.,1972。第4,植物次生代謝產(chǎn)物中的一部分是植物生命活動(dòng)所不需要的,甚至是有害的。自毒作用是次生代謝產(chǎn)物數(shù)量上的一個(gè)潛在束縛。然而,植物本身也有一些機(jī)制來減少自毒作用的危險(xiǎn),其最主要的機(jī)制可能是用于貯藏這些有毒物質(zhì)的特異的細(xì)胞、組織和器官。這些貯藏結(jié)構(gòu)包括腺毛、樹脂道、乳汁管等。這些結(jié)構(gòu)的大小、數(shù)量受到發(fā)育結(jié)段和構(gòu)建自身的碳水化合物的限制。因此,決定結(jié)構(gòu)本身大小和數(shù)量的遺傳因素本身就是一種限制。例如:萜只限于樹脂道和腺毛中,棉子酚主要分布在棉酚色素腺中,這也許是植物自身保護(hù)的一種機(jī)制,最少量的化合物可被隔離,不致于自身受害。這些組織或器官的大小、數(shù)量受遺傳因素控制,Mehlenbacher(1984發(fā)現(xiàn)番茄雜種中A型腺毛和B型腺毛密度的遺傳力為h2=032,022。歐洲防風(fēng)(Pastinacasativa的呋喃香豆素只限于種子油管(oiltubes中,種子內(nèi)油管的數(shù)量與大小的遺傳力為h2=0494,0498,5種呋喃香豆素的含量與器官的大小成正比(Zangerletal.,1989。2植物化學(xué)抗性的復(fù)雜性化學(xué)因素對昆蟲可起的作用主要有二:一是引起對昆蟲的忌避或抑制其取食(排趨作用或拒蟲作用,二是對昆蟲生長或繁殖產(chǎn)生不利影響或促其死亡(抗生作用。這些化學(xué)因素包括:存在的各種次生物質(zhì),引起昆蟲的不良感覺反應(yīng),或中毒;昆蟲所需的營養(yǎng)成分缺乏或含量過低;某些成分不利于昆蟲對食物的消化利用,例如對昆蟲消化道蛋白酶活性有抑制作用的抗酶性物質(zhì)。植物含有某些能避免或減輕昆蟲或其他動(dòng)物為害的化學(xué)因素,是在長期演化歷程中形成的,昆蟲種類繁多,適應(yīng)性強(qiáng),因此,95第5期房建軍等:植物化學(xué)抗蟲性的遺傳學(xué)研究進(jìn)展96林業(yè)科學(xué)36卷一類或一種化學(xué)防御因素,只能對特定種類的昆蟲有效(周明,1991。芥子油苷(glucosinolates對薯卜蚜(Lipaphiserysimi有抗性,而油菜蘭葉甲(Psylliodeschrysocephala卻只取食含有芥子油苷的油菜(Bartlet,1992;生氰苷(cyanogenic對木薯根蛀蟲(Cyrtomenusbergi有抗性,但亞熱帶粘蟲(Spodopteraeridania卻取食含生氰苷的植物且生長良好(Brattsen,1983;歐洲赤松(Pinussylvestris的蒎烯(Alphapinene對縱坑切梢小蠹(Blastophaguspiniperda有忌避作用,但對南方松小蠹(Dendroctonusfrontalis卻有引誘作用(Payne,1970;棉酚能阻止豆芫菁(Epicautaspp.取食,但對棉鈴象(Anthonomusgrandis則有刺激取食作用。Lindroth等在1985~1993年所作的研究更耐人尋味,他們發(fā)現(xiàn)一種北美黑條黃鳳蝶的兩個(gè)亞種(Papilioglaucuscanadensis和Papilioglaucusglaucus對美洲山楊(Populustremuloides的取食情況差異很大,前者可進(jìn)食樹葉生長良好,后者卻生長不良,進(jìn)一步蟲試表明:酚甙salicortin和tremulacin對Papilioglaucuscanadensis的存活、生長、食物消化無影響,而對于Papilioglaucusglaucus的這些指標(biāo)有影響。由此看來,植物的化學(xué)抗蟲性是非常復(fù)雜的,某特定的物質(zhì)只對特定的蟲種(亞種起作用,可見抗性的專一性與復(fù)雜性(Lindroth1988;Scriber1993。3數(shù)量基因定位技術(shù)對化學(xué)抗蟲性的發(fā)展常規(guī)育種的理論基礎(chǔ)是數(shù)量遺傳學(xué),傳統(tǒng)的數(shù)量遺傳學(xué)是把控制數(shù)量性狀的多個(gè)基因作為一個(gè)整體進(jìn)行研究。由于多基因作用和環(huán)境因子的影響,許多重要的農(nóng)作物性狀都表現(xiàn)連續(xù)的變異。控制這些性狀的基因的作用大小和方式各不同且相互作用。過去,數(shù)量遺傳學(xué)家用生物統(tǒng)計(jì)的方法計(jì)算后代平均值以估算控制這些數(shù)量性狀的基因作用是一種黑箱式的研究。這一方法的局限性在于沒有得到各基因分離的效應(yīng)值而只是得到它們的效應(yīng)的和,并受到一系列統(tǒng)計(jì)模型的約束。隨著不同植物RFLP圖譜的建立,數(shù)量性狀基因定位(QuantitativeTraitLocus,QTL在遺傳學(xué)研究的應(yīng)用也日益增多,許多重要作物、林木都已進(jìn)行了圖譜構(gòu)建。給一度處于瓶頸的數(shù)量遺傳學(xué)研究注入了活力。數(shù)量性狀基因位點(diǎn)(QTL作圖是對復(fù)雜抗蟲性狀進(jìn)行研究的有效方法。QTL作圖可以描述特異抗蟲基因位點(diǎn)的作用,估計(jì)具有部分抗性的基因位點(diǎn)的?；?分析抗蟲基因與植物發(fā)育以及環(huán)境之間的互作,以及抗蟲數(shù)量基因與抗蟲質(zhì)量性狀基因位點(diǎn)之間的關(guān)系等。在抗蟲品種培養(yǎng)中,為使某品種增強(qiáng)抗蟲性,常用的方法是以此品種作輪回親本,以具備抗蟲基因的另一品種為基因供體,多次回交,從而使輪回親本的基因中不僅具有優(yōu)良的所需栽培性狀,而且具抗蟲基因。然而在回交育種過程中,由于基因間的連鎖,一些不利的基因也會隨之引入,即所謂基因累贅(genedrag。經(jīng)典遺傳育種研究無法鑒別出單個(gè)數(shù)量基因以及與之有關(guān)的染色體片段,更難確定數(shù)量基因座位在染色體上的位置及與其它基因的關(guān)系。采用DNA分子標(biāo)記的數(shù)量基因定位,將影響數(shù)量性狀的多個(gè)基因找出,將其定位于染色體上,并最終確定與之有關(guān)的DNA序列。然后雜交或回交將不同基因轉(zhuǎn)到同一品種中。近幾年,分子標(biāo)記和QTL技術(shù)也已應(yīng)用于抗蟲性狀研究。玉米對歐洲玉米螟的抗性、水稻對白背飛虱(Sogatellafurcifera的抗性、馬鈴薯對馬鈴薯甲蟲(Leptinotarsadecemlineata的抗性、大豆抗棉鈴蟲(Helicoverpazea等以樹木為材料進(jìn)行抗蟲性狀數(shù)量基因定位的研究尚無報(bào)道(Schon,1993;Ishii,1994;Bonierbale,1994;1996;Rector,1996。由于QTL的引入,對于由于化學(xué)物質(zhì)介導(dǎo)的抗蟲性也有了新的認(rèn)識。人們通常認(rèn)為番茄(Lycopersiconesculentum的腺毛狀體(glandulartrichomes,以下簡稱腺毛與抗植食動(dòng)物有關(guān),如二斑葉螨(Tetranychusurticae的生殖力與VI型腺毛的密度負(fù)相關(guān)(Stoneretal.,1968,通過對蚜蟲、粉虱、螨、葉甲的糾纏和阻撓,腺毛的粘滲出物不言而喻地與抗性有關(guān),Williams(1980年鑒定了VI型腺毛中的2十三烷酮(2tridecanone,2TD,它是番茄對幾種昆蟲的抗生性物質(zhì)。野生番茄(Lycopersiconhirsutum葉片的氯仿提取物對兩個(gè)目的一些昆蟲的產(chǎn)生毒性(鱗翅目:煙草天蛾Manducasexta,玉米穗蟲Heliothiszea,同翅目:番茄蠹蛾Keiferialycopersicella,扁豆蚜Aphiscraccivora,棉桃蚜Myzuspersicae,當(dāng)把葉表面的腺毛滲出物去除,毒性大大下降(Kenndyetal.,1979。最后直接生物測定證實(shí)2TD對玉米穗蟲和馬鈴薯甲蟲有毒性(Kenndyetal.,1983。Zamir(1984報(bào)道野生番茄與2十三烷酮水平有關(guān)的5個(gè)標(biāo)記位點(diǎn)至少在4個(gè)不同的染色體上。Nienhuis(1987通過L.hirsutum與L.esculentum雜交,發(fā)現(xiàn)2TD的表達(dá)至少3個(gè)基因起作用。Maliepaard.等1995年進(jìn)行QTLs基因定位,發(fā)現(xiàn)F2代兩個(gè)與溫室粉虱(Trialeurodesvaporaiorum產(chǎn)卵率有關(guān)的位點(diǎn)Tv1和Tv2分別在1號第5期房建軍等:植物化學(xué)抗蟲性的遺傳學(xué)研究進(jìn)展97和12號染色體上。影響VI型腺毛密度的位點(diǎn)(TriVI1定位于1號染色體上。一種葉上長有腺毛的野生馬鈴薯(Solanumberthaultii對研究馬鈴薯抗蟲性非常有用。Radcliffe(1968發(fā)現(xiàn)此種能抗蚜蟲和葉蟬。Tingey(1982把不同馬鈴薯受害水平的差異歸因于腺毛的種類和著生密度。Bonierbale(1994等將此野生種與普通種雜交,然后培養(yǎng)回交后代,用RFLPs進(jìn)行QTLs基因定位,使用同一材料把腺毛密度、多酚氧化酶、型和B型腺毛產(chǎn)生的蔗糖酯、A酶促褐變應(yīng)、馬鈴薯甲蟲活體檢測食物消耗、產(chǎn)卵率、不同日照長度下發(fā)莖率等進(jìn)行定位。力求深入了解抗蟲機(jī)制。結(jié)果表明在回交后代5號染色體上TG379區(qū)域B型腺毛密度、蔗糖酯水平等性狀與食葉量有關(guān),而1號染色體Tv1區(qū)域與產(chǎn)卵率有關(guān)。QTL定位也作出與一般認(rèn)識近乎相反的結(jié)論。在野生番茄上還長有一種IV型腺毛,IV型腺毛分泌的葡酯(glucoseester與馬鈴薯蚜(Macrosiphumeuphorbiae抗性有關(guān),據(jù)長期觀察,抗蟲性與IV型腺毛的密度正相關(guān)。在Maliepaard(1995上述定位工作中,影響IV型腺毛密度的兩位點(diǎn)(TriIV1和TriIV2分別定位于5、號染色體上。這一結(jié)論不支持IV型腺毛密度與抗蟲有關(guān)的結(jié)論。9利用QTL圖譜研究抗蟲性狀是對傳統(tǒng)數(shù)量遺傳學(xué)研究方法的一大突破,修正了傳統(tǒng)數(shù)量遺傳學(xué)的一些不恰當(dāng)?shù)募僬f和結(jié)論,促進(jìn)了對植物的抗蟲性的深入了解。用分子標(biāo)記鑒定和定位數(shù)量性狀在許多植物中很有效,高密度的分子連鎖圖和作圖技術(shù)可確定多基因控制的復(fù)雜數(shù)量性狀中單個(gè)基因的作用,因此對于重要的數(shù)量性狀來說,分子標(biāo)記輔助的選擇是可行的。與DNA分子標(biāo)記相關(guān)的選擇可提高育種計(jì)劃的效率,減少育種所需時(shí)間。分子標(biāo)記有關(guān)的技術(shù)不但可加速重要基因從野生種向良種的引入,還具有增加育種準(zhǔn)確性和效率。然而,只有當(dāng)分子和生化遺傳學(xué)同傳統(tǒng)的育種計(jì)劃相結(jié)合時(shí)許多重要數(shù)量性狀的改良才能成為現(xiàn)實(shí)。歐洲和北美對楊柳科植物體內(nèi)的次生物質(zhì)進(jìn)行了比較深入的研究,研究表明,楊柳科植物中的特異化學(xué)物質(zhì)是酚甙類化學(xué)物質(zhì)。酚甙在整個(gè)科中分布廣泛,且在種類和含量上具備差異顯著的多態(tài)性,現(xiàn)已鑒定約20種。在酚甙類物質(zhì)中以salicortin,tremulacin為多。已有報(bào)道酚甙對鱗翅目和鞘翅目一些昆蟲的生長發(fā)育有負(fù)作用:鱗翅目大楊卷葉蛾(Choristoneuraconflictana,舞毒蛾(Lymantriidaedispar,鞘翅目黑楊葉甲(Chrysomelascripta和歐山楊葉甲(C.tremulae等(Bryant,1987;Lindroth,1990;Barbara,1992;Picard,1994。多年的研究表明,對昆蟲有作用的物質(zhì)是完整的甙,而非其分解產(chǎn)物;以往國內(nèi)對酚類物質(zhì)的研究均以酚甙的分解產(chǎn)物為測定對象,如:沒食子酸、兒茶酸、鄰苯二酚、香豆酸、阿魏酸等,故難以闡明問題。為深入研究楊樹的抗蟲機(jī)理,我們采用數(shù)量基因定位(QTL的方式,力圖將楊樹的抗蟲性狀和酚甙類次生代謝產(chǎn)物的種類與含量定位于遺傳圖譜上,這對于研究植物次生代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生及與昆蟲的關(guān)系都將會有深遠(yuǎn)的意義。林科院林研所楊樹抗蟲課題組經(jīng)過十多年的努力,通過對天牛反應(yīng)不同的美洲黑楊進(jìn)行種內(nèi)雜交,從后代中均選育出高抗的無性系,表型較其親本和其它楊樹明顯抗云斑天牛(Batocerahorsfieldi,在大田條件進(jìn)行抗蟲篩選的基礎(chǔ)上,經(jīng)過人工接蟲也取得較好效果(韓一凡,1997;卞學(xué)瑜,1995;胡建軍,1998;孫麗艷,1995。所用材料的圖譜遺傳圖譜已于1998年構(gòu)建,其具體情況是:包括198個(gè)AFLP標(biāo)記的19個(gè)的連鎖群,圖譜總距為2927cM(Wu,2000,現(xiàn)正進(jìn)行化學(xué)物質(zhì)與抗蟲性定位工作?？傊?以分子標(biāo)記、L基因定位為先導(dǎo)的數(shù)量性狀的鑒定和定位技術(shù),對于引入抗性基因,加速Q(mào)T育種進(jìn)程,增加育種的準(zhǔn)確性,提高育種效率,都有其獨(dú)到的作用。它是當(dāng)今生命科學(xué)的新成果,代表著以后的發(fā)展趨勢。參~102F.G.馬克斯維爾等著.翟鳳林等譯.植物抗蟲育種.北京:農(nóng)業(yè)出版社,1985韓一凡.美洲黑楊南抗1號、號新品種選育林業(yè)科技開發(fā),1997,3:18~202胡建軍,趙自成,苗世龍等.楊樹人工接蟲方法的研究.林業(yè)科學(xué)研究,1998,11(6:574~580欽俊德著.昆蟲與植物的關(guān)系.北京科學(xué)出版社,1987孫麗艷,韓一凡.對云斑天牛有不同抗性的楊樹品種中化學(xué)物質(zhì)的分析.林業(yè)科學(xué),1995,31(4:338~345周明主編作物抗蟲育種原理及應(yīng)用.北京:北京農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社,1991AbouDoniaMB.Gossypol.In.CheekePRed.Toxicantsofplantorigin,volumeIV,phenolics.1989,BocaRaton:CRCPress,2~22考文獻(xiàn)卞學(xué)瑜,韓一凡,楊明珍,淡克德.不同楊樹無性系對云斑天?？剐圆町悪C(jī)理的研究.楊樹研究進(jìn)展.北京:中國林業(yè)出版社,1995,9798林業(yè)科學(xué)36卷BaldwinIT.Shorttermdamageinducedincreaseintobaccoalkaloidsprotectplant.Oecologia(Berlin,1988,75:367~370BarbaraRBetal.ClonalandleafagevariationinPopulusphenolicglycosides;implicationsforhostselectionbyChrysomelascripta(Coleoptera:Chrysomelidae.EnvironmentalEntomology1993:397~403BartletE,WilliamsIH,BlightMM,HickAJ.ResponseoftheoilseedrapepestsCeutorhynchusassimilisandPsylliodeschrysocephalatoamixtureofisothiocyanares.In:MenkenSBJ,VisserJH,HarrewijnPeds.Proceedingsofthe8thinternationalsymposiumoninsectplantrelationships.Dordrecht:KluwerAcademicPublishers,1992,103~104BennettRNandWallsgroveRM.Secondsrymetabolitesinplantdefensemechanisms.NewPhytol,1994,127:617~633BerenbaumMRandZangerlAR.Geneticsofscondarymetabolismandherbivoreresistanceinplants.Herbivores:theirinteractionswithsecondaryplantmetabliter.SanDiego:AcademicPress,415~438BonierbaleMW,PlaistedRL,PinedaO,TanksleySD.QTLanalysisoftrichomemediatedinsectresistanceinpotato.TheorApplGenet,1994,87:973~987BrattsenLB,SamuelianJH,LongKY,KincaidSA,EvantsCK.Cyanideasafeedingstimulantforthesouthernarmyworm,Spodopteraeridania.EcologicalEntomology,1983,8:125~132BryantJP.Effectofnitrogenfertilizationuponthesecondarychemistryandnutritionnalvalueofquakingaspen(PopulustremuloidesMichxleavesforthelargeaspentortrix(Choristonemconflictana(walker.Oecologia,1987,73:513~517CalsonJ.TreegenomeresearchattheuniversityofBritishColumbia.Dendrom.1994,1:10~11ClausenTP,ReichardtPB,BryantJP,WernerKP,andFrisbyK.Chemicalmodelforshortterminductioninquakingaspen(Populustremuloidesfoliageagainstherbivores.J.Chem.Ecol.,1989,15:2335~2346DaCostaCP,andJonesCM.CucumberbeetleresistanceancmitesusceptibilitycontrolledbythebittergeneinCucumissalivusL.Science1971,172:1145~1146DePontiOMB,andGarretstenF.ResistanceinCucumissativusL.toTetranychusurticaeKoch.7.Theinheritanceofresistanceandbitternessandtherelationbetweenthesecharcters.Euphytica,1980,29:513~523DhanPalsingh.Breedingforresistecetodiseasesandinsectpest.SpringerVerlagBerlinHeidelberg,1986DunnGM,LongBJ,andRoutleyDG.InheritanceofcyclichydroxamatesinZeamayL.Can.J.PlantSci.,1981,61:538~593FraenkelG.Theraisondetereofsecondaryplantsubstances.Science1959,129:1466~1470GilbertBL,BakerJEandNorrisDM.Juglone(5hydroxy1,4naphthoquinonefromCaryaovata,adeterrenttofeedingbyScolytusmultistriatus.J.InsectPhysiol,1967,13:1453~1459HarborneJB.IntroductiontoEcologicalBiochemistry.Acad.Press,2nded.1982HaukiojaE,NiemalaP,andSirenS.Foliagephenolsandnitrogeninrelationtogrowth,insectdamage,andabilitytorecoverafterdefoliation,inthemountainbirchBetulapubescenssp.tortuosa.Oecologia,1985,65:214~222Henson,A.R.,Zuber,M.S.,Darrah,L.L.,Barry,D.D.,etal.Evaluationofanantibioticfactorinmaizesilksasmeansofcornearworm(Lepidoptera:NoctuidaeSuppression.J.Econ.Entomol.,1984,77(2:487~490IshiiT.BrakDS,MultaniDSandKhushGS.MoleculartaggingofgenesforbrownplanthopperresistanceandearlinessintrogressedfromOryzaaustraliensisintocultivatedrice,O.sativa.Genome,1994,37:217~221KarbanR,andMyersJH.Annu.Rev.Ecol.syst.,1989,20:331~348KennedyGG,andDimockMB.InPesticidechemistry:humanwelfareandtheenvironment,cidechemistry,PergamonPress,Elmford,NewYork,1983KennedyGG,andYamamatoRT.Atoxicfactorcausingresistanceinwildtomatotothetobaccohornwormandsomeotherinsects.Entomol.Exp.Appl.1979,26:121~126KennedyJS.Mechanismofhostplantselection.Ann.Appl.Biol.1965,56:317~322KlunJA,andRobinsonJF.Concentrationoftwo1,4benzoxazinonesindentcornatvariousstagesofdevelopmentoftheplantanditsrelationtoresistanceofthehostplanttotheEuropeancornborer.J.Econ.Entomol.1969,62:214~220KlunJA,TiptonCL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