烟草抗虫机制研究进展

李庆亮 张佳 宗浩 聂磊云 李小平 李捷

摘要：烟草是重要的经济作物，而烟草的害虫种类在中国已达300余种，严重制约了烟草的生产。植物抗虫性是防治害虫最为经济有效的手段，为更好了解目前国内外在烟草抗虫机制方面的研究情况，笔者总结了烟草对害虫的基础性组成防御和誘导化学防御、烟草抗虫信号途径及分子机制。提出烟草上的主要害虫已经由鳞翅目害虫逐步向刺吸式害虫转变，而目前国内外关于烟草的抗虫性以及抗虫育种，是对单一害虫的研究，因此要加大烟草对多种害虫的综合抗性的研究以及多抗性品种的选育工作。同时分析指出光合作用是植物防御昆虫的一个程序化反应，在研究提高植物烟草抗虫性以及烟草抗虫品种选育的过程中，烟草的初级代谢过程特别是光合作用，也应该是重点考虑的方面，在烟草抗虫性研究上应有效地进行多学科结合，从多个角度去研究阐述这个问题，特别是与植物生理学、分子生物学、烟草栽培学以及烟草育种学的结合。

关键词：烟草；抗虫性；诱导防御；信号途径；抗性基因

中图分类号：S433.1 文献标志码：A 论文编号：cjas17030047

0引言

烟草从播种、收获到储藏，均有多种虫害发生，给烟草的产量与品质造成极大的危害。在中国，烟草害虫种类已达300余种，多而广，且危害性比较严重的包括地下害虫、刺吸性害虫、食叶性害虫、潜蛀性害虫、其他田间害虫及贮烟害虫。防治害虫最好的也是最经济的手段是提高植物的抗虫性。目前，国内在烟草抗虫性方面研究多集中于鳞翅目昆虫取食造成的诱导防御，特别是信号途径和防御物质方面，而刺吸式昆虫研究较少。

1烟草对害虫的基础防御

1.1烟草组成型防御机制

组成型的防御机制是植物体内一直存在的防御体系，包括植物的组织结构和生理生化物质，特别是次生代谢物质。而这些次生代谢物质多分布于植物表层的防御结构（如绒毛、腺体）内。烟草叶片的腺毛及其中的次生代谢物质是目前研究较多的烟草组成型抗虫系统，腺毛对烟草害虫有较好的防御作用，也是目前选育抗虫品种的一个重要的参考指标。

1.2烟草诱导型化学防御机制

1.2.1改变初级代谢产物 有大量研究证明，植物含氮量的高低均可能对害虫产生明显不利的影响。因此，害虫为害后植物初级代谢产物的变化也是植物诱导防御的一种。烟蚜为害程度提高会导致叶片中总氮含量的增加，同时烟草苗期被烟蚜取食后叶片中还原糖含量增加。

1.2.2产生次级代谢产物 研究表明，烟草中叶片主要的次生代谢物质包括生物碱、酚类和萜类。其中研究较多的是烟碱。当烟草受到生物和非生物胁迫后植物体内烟碱含量就会增加。烟碱的合成受多种信号途径调控，主要包括茉莉酸信号途径和乙烯信号途径。烟碱主要的合成部位在烟草根部，合成后通过维管系统传输到烟草的其他部位，当取样的叶片组织中包括叶片的次脉，而不包括中脉，烟碱含量较对照增加1.7倍，而同时包括中脉和次脉的叶片组织中烟碱含量较对照增加2.6倍。但是只是叶脉受到伤害不会造成烟碱含量的任何明显变化。这些结果表明叶脉在烟草烟碱诱导传输产生过程中起着重要的作用。

机械损伤和鳞翅目昆虫均能诱导烟草烟碱含量的增加，但是鳞翅目昆虫烟青虫和棉铃虫取食诱导的烟碱含量增幅明显低于机械损伤。而韧皮部取食昆虫为害可能导致烟碱含量的降低，如烟蚜危害导致烟草叶片烟碱含量下降，而且烟叶的烟碱含量与大田中烟蚜的发生数量呈明显负相关（r=0.6217）。

烟草叶片中酚类物质可能参与对刺吸式昆虫的防御反应，B型烟粉虱为害后烟草局部虫体叶和系统叶中总酚含量相对于各自的对照均明显升高，而系统叶中的升高幅度明显高于虫体叶。B型烟粉虱为害对系统叶上后取食的蚜虫造成明显的不利影响，由此可以看出烟草酚类物质对烟蚜具有防御作用。

1.2.3烟草挥发物的组分 间接防御包括萜类和绿叶气体，为局部取食的昆虫的捕食者提供信息信号。昆虫取食诱导的烟草挥发物还具有驱避和抑制雌蛾产卵的功能，这进一步证明烟草释放挥发物抵制适应烟碱的昆虫是一种优化的防御策略，也提示人为调节烟草挥发物的释放在农业生产中可能具有现实的应用价值。机械损伤和鳞翅目昆虫取食都会导致烟草挥发物释放总量的增加，但不同为害处理的烟草挥发物中单个化学物的释放量也不同。

1.2.4产生防御相关蛋白 大多数研究表明，昆虫危害诱导的植物防御反应已经聚焦到特定的基因，蛋白质，以及代谢动力学研究。野生烟草（Nicotiana attenuate）在植食性昆虫取食后诱导了较多的直接和间接的反应。直接防御物质包括烟碱和几种其他代谢物质以及防御蛋白酶例如胰蛋白酶抑制剂（trypsin inhibitor，TPI）、苏氨酸解氨酶（threonine deaminase，TD）。

当烟草天蛾（Manduea sexta）危害野生烟草时其幼虫口腔分泌物（oral secretions，OS）中不饱和脂肪酸（fatty acid-amino acid coniugates，FACs）会分泌到伤口处，而这些FACs能够激发与昆虫危害诱导的相似反应。通过蛋白双向凝胶电泳和质谱液相分析机械损伤、机械伤口涂抹FACs以及烟草天蛾幼虫取食3个处理后烟草叶片中的防御蛋白的变化，分析FACs在烟草天蛾诱导烟草防御蛋白过程中的作用，结果表明烟草天蛾幼虫诱导烟草叶片的防御蛋白主要是被OS中的FACs所诱导。

防御酶是植物诱导化学防御的基础，也是植物防御有害生物的重要蛋白。过氧化物酶（peroxidase，POD）是植物细胞壁构建的关键酶，同时它能够将通过将酚氧化为醌，降低叶片的可食性以及蛋白的利用率。棉铃虫和烟青虫取食烟草后POD活性均升高。在烟草叶片上随着烟蚜为害程度的加重，叶片中过氧化物同工酶酶带增多，变宽，颜色加深。苯丙氨酸解氨酶（phenylalanin ammonialyase，PAL）是植物多个次生代谢途径关键酶，PAL与植物细胞木质素的形成和沉淀以及与植物的水杨酸信号防御途径密切相关。机械损伤能够诱导烟草PAL活性升高。另据研究表明烟草被不同的病菌感染后PAL活性都会升高。B型烟粉虱为害后，烟草虫体叶和系统叶中PAL活性均明显增加。多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）可以降低植物的可食性，众多的研究结果表明，PPO与植物的抗虫性相关。B型烟粉虱为害后烟草局部虫体叶和系统叶中POD和PPO活性相对于对照明显增加，且系统叶增加的幅度明显高于虫体叶。脂氧合酶（lipoxygenase，LOX）是茉莉酸信号途径的关键酶。棉铃虫和烟青虫取食，能够诱导其活性增加。叶片中的LOX是茉莉酸合成的关键酶，茉莉酸能够引起多种植物防御反应，包括蛋白酶抑制剂（protease inhibitor，PI）。

2.2.4 JAR4/6基因 野生烟草上鉴定出一个拟南芥（JAR1）同族体命名为JAR6。通过系统进化分析JAR6与拟南芥的JAR1非常接近，同时还有最近报道的JAR4是烟草上的另一个JAR1的同族体。JA及其氨基酸共轭物，特别是JA-isoleucine（Ile），在烟草抗虫方面起着重要的作用，JAR4/6是JA及其氨基酸共轭物形成的关键酶，JAR4/6调节JA与异亮氨酸、缬氨酸（valine）和亮氨酸（1eucine）3个氨基酸的共轭。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的植株对烟草天蛾表现出易感性，外源喷施使用JA-Ile后恢复了对烟草天蛾的抗性，而使用JA-Leu或JA-Val后没有效果。沉默JAR4/6的植株上TPIs的活性明显降低，但是烟碱的含量没有变化。

2.2.5萌发素基因萌发素（germins）及其类似蛋白（germin-like proteins，GLPs）在植物的抗病中起作用。当野生烟草受到烟草天蛾取食，或者机械损伤后注射器口腔分泌物，GLP基因表达明显上调。当GLP被沉默以后，烟草天蛾取食后诱导的H₂O₂、双萜糖苷以及胰蛋白酶抑制剂上调水平明显降低，但是对茉莉酸和水杨酸含量没有造成明显影响，但是对烟草天蛾和烟盲蝽（Tupiocoris notatus）的取食行为有明显的有利影响。

2.2.6植物合成蛋白基因 大多数害虫为害能够下调植物合成蛋白基因。广食性的昆虫斜纹夜蛾和专食性幼虫烟草天蛾在核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/力口氧酶活化酶（ribulose-1，5-bisphosphate carboxylase/oxygenase activase，RCA）沉默的植株上生长速度明显加快，可能是因为RCA沉默的植株减少了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）基因的植株上卻没有。从这些结果中，推断RCA沉默的植株JA-Ile/leucine以及JA-Ile激活的防御植食性昆虫策略可能受腺苷酸转换的影响，或者更进一步受可利用碳的影响。在RuBPCase沉默的植株上广食性若虫的发育与对照没有明显的差别，而专食性若虫生长的更快，这表明专食性害虫对RuBPCase沉默植株上的防御蛋白有一定的抵抗作用。

3展望

近年来，虫害已经成为制约烟草生产的重要因素，每年虫害造成的烟草经济损失在20%～30%。化学防治虽然能够在一定程度上控制害虫的发生，但是其造成了农业生态环境的破坏以及大量的农药残留，在害虫综合防治过程中，利用植物抗虫性是最为经济有效的防治途径㈣，不仅降低了害虫防治成本，还有利于生态环境的保护。烟草是国内主要的经济作物，也是研究昆虫与植物关系的重要模式植物。随着种植习惯以及种植结构的改变，目前烟草上的主要害虫已经由鳞翅目害虫逐步向刺吸式害虫转变，目前烟粉虱、烟蚜以及绿盲蝽在烟草上为害逐年加重。国内外关于烟草的抗虫性以及抗虫育种，是对单一害虫的研究，单一抗虫品种的培育具有很强的地域和时间限制，随着时空的变化造成烟草抗性不稳定。因此要加大烟草对多种害虫的综合抗性的研究以及多抗性品种的选育工作。

昆虫取食寄主植物诱导了寄主的防御反应，但是同时也影响了植物的初级代谢过程。植物的每个生理过程的改变可能都与植物抗虫性有关，目前昆虫取食后对植物光合作用的影响也逐渐被重视起来，光合作用与植物的防御反应存在着怎样的关系，这也是今后的一个研究热点问题。昆虫取食植物后，诱导的植物反应一般包括植物光合作用的下调。目前有报道称，光合作用的下降不仅是植食性昆虫为害造成植物的应激性生理反应，而且是植物诱导防御的重要组成，是植物防御昆虫纲的一个程序化反应㈣。在拟南芥上，光合效率的降低导致了SA含量积累的增加，光合作用相关基因RCA以及RuBPCase具有对烟草天蛾和斜纹夜蛾具有明显的防御作用。在研究提高植物烟草抗虫性以及烟草抗虫品种选育的过程中，烟草的初级代谢过程特别是光合作用，也应该是重点考虑的方面。因此，在烟草抗虫性研究上应有效地进行多学科结合，从多个角度去研究阐述这个问题，特别是与植物生理学、分子生物学、烟草栽培学以及烟草育种学的结合。