徐蓬軍，宋鵬飛，任廣偉

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，青島 266101；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，鄭州 450002）

煙草重要基因篇：6. 煙草抗蟲相關(guān)基因

徐蓬軍1，宋鵬飛2，任廣偉1

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，青島 266101；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，鄭州 450002）

植物與植食性昆蟲在長期協(xié)同進(jìn)化過程中形成了復(fù)雜的互作關(guān)系：昆蟲通過植物的生理和化學(xué)信號(hào)尋找寄主、取食和產(chǎn)卵，植物自身為抵抗昆蟲的為害相應(yīng)地形成了多種防御體系，包括生理防御（通過長刺、延長表皮毛和加厚表皮等）和化學(xué)防御（利用次生代謝物）[1]。近年來，因化學(xué)農(nóng)藥用于害蟲防治帶來的諸多環(huán)境安全問題，以植物次生代謝物為主的化學(xué)防御引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，通過研究上述防御機(jī)制，人們獲得了多種植物源的抗蟲基因，并逐步用于害蟲防治[2]。煙草是世界上重要的經(jīng)濟(jì)作物，由于病蟲害的大量發(fā)生，化學(xué)農(nóng)藥的使用量不斷上升，這在一定程度上控制住了蟲害的發(fā)生，但長期大量使用農(nóng)藥帶來了一系列問題，例如農(nóng)藥殘留和環(huán)境污染等，因此挖掘抗蟲基因防治煙草害蟲成為害蟲防治的一種重要手段。多年來，研究者已證明煙草可產(chǎn)生一系列相關(guān)化學(xué)物質(zhì)而具有一定的抗蟲性[3-7]。但在煙草抗蟲基因方面的研究還較少，主要集中在蛋白酶抑制劑基因、防御物質(zhì)合成基因和信號(hào)途徑基因等方面。

1 蛋白酶抑制劑基因

植物蛋白酶抑制劑（proteinase inhibitor, PI）是一類能抑制蛋白酶活性的小分子蛋白或多肽，在植物防御病蟲害為害中起到重要的作用。昆蟲取食后，蛋白酶抑制劑可與昆蟲的蛋白水解酶相結(jié)合，抑制昆蟲對蛋白質(zhì)的消化和吸收，另一方面會(huì)引起昆蟲蛋白酶的過量合成和分泌，干擾昆蟲的正常代謝。在煙草中目前只開展了胰蛋白酶抑制劑和糜蛋白酶抑制劑部分研究，證明蛋白酶抑制劑跟煙草的抗蟲性密切相關(guān)[8-9]。

2 防御物質(zhì)合成的相關(guān)基因

2.1 氧化酶

活性氧的快速產(chǎn)生是植物應(yīng)對病蟲害防衛(wèi)反應(yīng)的重要標(biāo)志，在逆境脅迫下，植物體會(huì)通過氧化酶積累大量的活性氧、陰離子過氧化物等，將組織中的相關(guān)成分氧化成毒性物質(zhì)[10]。煙草中的氧化酶同源基因Narboh D 的表達(dá)跟煙草體內(nèi)活性氧的含量成正比[11]。

2.2 過氧化物酶

在植物體內(nèi)，過氧化物酶在 H2O2的幫助下能催化單酚、二酚及芳香胺反應(yīng)生成對生物具有高度毒性的醌，從而起到抗病蟲害的效果，植物在受到外力損傷的時(shí)候也相應(yīng)地提高過氧化物酶基因的表達(dá)水平[12]。對煙草不同抗蟲品種的研究表明，抗蟲性越高其過氧化物酶及其同工酶的表達(dá)量及活性也越高[13-14]。

2.3 細(xì)胞色素氧化酶 P450

細(xì)胞色素氧化酶 P450 調(diào)節(jié)植物次生代謝合成中的許多反應(yīng)，包括生物堿、脂肪酸的前體及苯基異丙酮和植物毒素等。植物遇到蟲害時(shí)，受害組織及其鄰近部位將提高 P450 的表達(dá)量和活性，改變代謝過程，從而合成更多的上述次生物質(zhì)，使植物產(chǎn)生抗蟲性。煙草研究中表明，抑制細(xì)胞色素氧化酶 P450 水解酶基因的表達(dá)可顯著提高煙草對煙蚜的抗性[15]。

2.4 谷氨酸脫羧酶

γ-氨基丁酸（Gamma-aminobutyrate，GABA）是一種四碳非蛋白氨基酸，可通過 GABA 介導(dǎo)的氯離子通道阻止無脊椎動(dòng)物的神經(jīng)傳遞。受損植物可通過快速積累 GABA，從而對害蟲起到暫時(shí)的麻痹作用，達(dá)到抗蟲的效果[16]。GABA 由谷氨酸脫羧酶合成，蟲害可迅速誘導(dǎo)煙草谷氨酸脫羧酶基因的表達(dá)上調(diào)，從而增加 GABA 的含量[17-18]。

3 茉莉酸信號(hào)途徑

茉莉酸信號(hào)傳導(dǎo)途徑是指植物以茉莉酸（jasmonic acid，JA）和茉莉酸甲酯（methyl jasmonate，MeJA）介導(dǎo)的防御系統(tǒng)[19]。植物被昆蟲為害后，通過茉莉酸信號(hào)途徑誘導(dǎo)合成具有毒殺作用的植物次生代謝物質(zhì)，茉莉酸本身不具有殺蟲作用。茉莉酸信號(hào)途徑是目前煙草中研究最為詳細(xì)的植物防御系統(tǒng)，包括茉莉酸合成的上游調(diào)控基因、小分子物質(zhì)以及主要合成酶等[20-25]。Wang 等[19]以煙草為模式生物，詳細(xì)敘述了茉莉酸生物合成途徑。昆蟲取食煙草時(shí)，其分泌物中的脂肪酸氨基酸合物(FACs)進(jìn)入植物組織誘導(dǎo)植物激活水楊酸誘導(dǎo)蛋白激酶（SIPK）和損傷誘導(dǎo)蛋白激酶（WIPK），在這兩種蛋白激酶的共同作用下激活茉莉酸的合成：葉綠體內(nèi)首先在質(zhì)體甘油脂酶 A1（GLA1）的作用下生成 α-亞麻酸，α-亞麻酸在脂氧合酶（LOX3）、丙二烯合成酶（AOS）和丙二烯氧化環(huán)化酶（AOC）的共同催化作用下生成穩(wěn)定的中間體 12-氧-二烯酸（OPDA），OPDA 隨后轉(zhuǎn)變?yōu)檫^氧物酶體，在 OPDA 還原酶（OPR3）和三步氧化還原反映下轉(zhuǎn)化為茉莉酸。植物茉莉酸合成受 SIPK 激酶、WIPK 激酶、NPR1 非表達(dá)因子、BAK1 受體激酶、谷胱甘肽還原酶(GSNOR)和 SKP1 等位基因抑制子(SGT1)的正調(diào)控，受 MPK4、CDPK4、CDPK5 激酶和 NOA1 蛋白的負(fù)調(diào)控。茉莉酸進(jìn)一步在茉莉酸抗性 1(JAR)的作用下生成茉莉酸異亮氨酸，在茉莉酸羧基甲基轉(zhuǎn)移酶(JMT)作用下生成茉莉酸甲酯、順式茉莉酸和 12-羥基茉莉酸。茉莉酸異亮氨酸結(jié)合泛素連接酶 SCFCOI1 起始茉莉酸途徑負(fù)調(diào)控子的 JAZ 蛋白的降解。在無茉莉酸的條件下，JAZ 蛋白可與茉莉酸信號(hào)途徑的正向轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子MYC2 相互作用。在內(nèi)外信號(hào)的作用下，茉莉酸異亮氨酸合成后特異性與 COI1 結(jié)合，促進(jìn) COI1 和 JAZ蛋白的生理互作，導(dǎo)致 JAZ 蛋白在 26S 蛋白酶體的作用下降解，從而激活 MYC2 轉(zhuǎn)錄因子誘導(dǎo)尼古丁、蛋白酶抑制劑和 17-羥基四烯醇二萜糖苷等防御化合物的產(chǎn)生。

4 問題與展望

發(fā)展環(huán)境友好型的害蟲治理方法已成為現(xiàn)代植物保護(hù)研究的焦點(diǎn)，植物源抗蟲基因的開發(fā)和利用無疑是達(dá)到此目的的重要手段之一。目前，煙草抗蟲基因的研究相對落后，例如生物堿等重要的抗蟲基因未見相關(guān)研究，但是煙草全基因組測序的完成為挖掘煙草抗蟲基因奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?；诖?，利用以下兩種方法可快速地篩選煙草抗蟲基因進(jìn)行理論和應(yīng)用研究：（1）根據(jù)其他作物中已報(bào)道的抗蟲基因，篩選煙草同源基因，進(jìn)行抗蟲性研究；（2）通過研究害蟲與煙草的互作關(guān)系，獲得抗蟲性材料，利用現(xiàn)代分子生物方法，例如芯片、RNA-seq 技術(shù)等[26]，分析獲得煙草抗蟲基因，并進(jìn)行后續(xù)的理論和應(yīng)用研究。隨著煙草抗蟲基因的深入研究，必將產(chǎn)生病蟲害防治的新方法用于煙草的安全生產(chǎn)。

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