杨树对鳞翅目害虫抗性的研究进展

睢 韡 闫瑞仙 傅利红 石爱霞

（包头市园林科技研究所， 包头 014010）

杨树属杨柳科杨属，是我国各城市生态绿化和风景园林建设的主要树种，构成了独特的景观。 杨树的大量种植有益于生物多样性，但大面积的单一人工林构成的人工生态环境具有不可避免的脆弱性，其中病虫害的频发就是表现之一。 据调查，在我国，对杨树造成危害的昆虫有300 多种，每年约有1/4 的人工林受到食叶害虫的损害，鳞翅目昆虫因其幼虫的暴食性和成虫的迁飞性，常对杨树特别是在早期生长阶段造成巨大的危害，通过重复为害严重影响杨树对氮元素的吸收、碳水化合物的合成和根的数量，破坏了城市景观效果。

长期以来，园林植物病虫害都是选择化学药剂来进行防治，主要是一些天然或合成的化学制剂，农药长期不合理使用已经导致一系列的副作用，解决因农药造成的环境污染和健康威胁问题已经迫在眉睫；生物杀虫剂环境友好，靶标性强，但杨树高大，喷施药剂防治食叶害虫时不易操作，尤其在人口密集的城镇，喷施作业还可能会给群众造成一定的心理恐慌。 这些问题的存在，迫使我们从杨树的抗虫性方面去寻找新的途径来控制害虫的发生。

1 天然抗性的鉴定

鳞翅目害虫对杨树的天然抗性差异表现为种间差异和种内变异：种间差异是不同或同种害虫对不同的杨树品种的嗜好性不同，如杨白潜叶蛾和典皮夜蛾偏好为害欧美杨（P. euramericana）[1，2]，杨扇舟蛾和杨二尾舟蛾对银中杨（P. alba × P. berolinensis）不造成危害[3]，意杨（P. canadensis）对黄刺蛾的抗性强于美洲黑杨（P. deltoids）[4]等，杨树叶片可溶性糖含量越高、水含量越低，越会受到害虫的青睐[5]；种内变异是对同一杨树品种的不同无性系的为害程度的不同，在无性繁殖技术成熟推广的今天，这种抗性差异也尤为明显，评价标准也是多种多样：若以食叶量为准[6]，则发现舟蛾Clostera cupreata 对美洲黑杨的不同无性系的取食量不同，而在高抗的12 个品种中，只有3 个品种可在当地生长；若以蛹重和幼虫生长历期为指标[7]，则其抗性差异评价与以食叶量为指标的结果略有不同。 杨树的不同品种（无性系）对鳞翅目害虫天然抗性的差异与叶片化学物质的含量和比例相关，在高瑞桐等[8]的研究中，发现对杨扇舟蛾抗性更差的72 杨 （Populur×euramaricana cv. I-72/58）中葡萄糖、天门冬酸、单宁水解酸、必需氨基酸含量均高于抗性更强的毛白杨（P. tomentosa），虽然72杨中也含有相对于毛白杨更多的对杨扇舟蛾生长不利的化学物质，但氨基酸、单宁酸、酚酸、糖等占所有化学物质的比例总体居中，所以杨树中化学物质的比例关系对抗虫性强弱也有一定的影响。

2 转抗虫性基因的遗传育种

自1986 年首次证实杨树可以对外源基因进行遗传转化和表达后，世界各地就开始了杨树转基因的研究。 目前已有3 类抗虫基因应用于杨树转基因研究中，为苏云金杆菌毒蛋白基因（Bt）、蛋白酶抑制剂类基因（PI）和昆虫毒素基因，具有对害虫专一性强，毒杀效果好，对非靶标生物安全的特点。 我国的转基因杨树首获于1990 年[9]，伍宁丰将Bt 基因转入到欧洲黑杨（P. nigra）中，得到了对鳞翅目昆虫有毒性的转基因植株。随后，越来越多的单个抗虫基因种类应用到众多杨树品种的转基因研究中，对鳞翅目幼虫（尤其是高龄幼虫）的毒杀率达到80%以上[10-12]。鉴于昆虫易对单个基因产生耐受性，郑均宝等[13]首次将两个不同类型的基因转化到同一株杨树中，整体同样保持较高的抗虫水平。 后来又获得了许多转双抗虫基因杨树无性系（单倍体），并对其抗虫性进行了研究，发现环境温度与供试幼虫死亡率呈正相关[14]。王桂英等[15]在已有的双抗基因（Bt-cryⅠ+API）杨树基础上，将Bt-cryⅢ基因成功转入741 杨，获得三抗体转基因杨树（cryⅠ+ cryⅢ+API），可以同时对美国白蛾和柳蓝叶甲具有专一抗性（cryⅠ专一毒杀鳞翅目，cryⅢ专一毒杀鞘翅目）， 而且双Bt 株系的抗性水平相比原单Bt 株系要更高。导入同一抗虫基因的同种杨树品种的不同系号植株对鳞翅目幼虫的抗虫性有一定的差异[16]，这是因为外源基因是随机插入到原植株的基因组上的，其控制的蛋白表达受到附近基因表达控制元件的影响，使得各个株系之间抗虫蛋白的表达量存在差异，而呈现出不同的抗虫性水平[17]。

3 外源化学物质诱导抗性

当杨树遭受昆虫为害时，会产生诱导抗性的自我保护机制，会阻止害虫的生长发育而影响害虫种群数量，如分月扇舟蛾取食虫害处理的美洲黑杨后，幼虫的各发育期延长，对食物的利用率下降，死亡率升高[43]。 这种防御是以杨树的生理生化指标变化为标准的，对鳞翅目害虫而言，杨树的“化学防御”——次生代谢产物起着更为关键的作用，次生代谢产物大多是挥发性物质，影响昆虫对食物的选择、利用和消化进程，延缓发育。 合作杨（P. simonii×P. pyrami dalis）被机械损伤或舞毒蛾取食后，叶片中醛、烯、酚类等一些挥发性物质会被诱导出来[44]，这些挥发物又起到传递伤害信息的作用，引起整个受损植株和邻近植株酚酸含量发生变化。所以，通过筛选对害虫有强烈毒害作用的次生代谢产物代替化学药剂来防治害虫，对提高植株自身保护具有重要意义，成为抗虫性研究的重要内容。

表1 我国已获得的具有抗虫性的杨树品种（无性系）

3.1 茉莉酸

茉莉酸（JAs）是一种植物激素，存在于多种高等植物中。 内源JAs 的增加是通过食叶害虫的取食行为实现的，外源JA 和MeJA 的抗虫效果是间接通过诱导杨树产生次生代谢物质起到毒杀作用的， 如通过外源JA 的处理可使青杨（P. cathayana）对舞毒蛾产生明显抗性，表现为发育历期延长、体质量降低等，这种抑制作用对老熟幼虫尤其明显[45]，还能增强舞毒蛾核型多角体病毒（LdNPV）对舞毒蛾的抑制作用[46]。 外源JAs 的应用可以诱导杨树叶片内多种与抗虫性相关的防御基因的表达，导致代谢的重新构建，产生防御蛋白和次生物质，形成防御结构[47]。 外源JA 和MeJA 分别处理青杨和合作杨叶片后，叶片中过氧化物酶（POD）、多酚氧化酶（PPO）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）、脂氧合酶（LOX）、胰凝乳蛋白酶抑制剂（CI）、胰蛋白酶抑制剂（TI）活性显著增加[45，48]，而POD、PPO 和PAL 活性的增加直接导致了木质素、黄酮、酚酸类物质含量增加[49]，且酚酸类物质（以单宁酸和绿原酸为主）在杨树抗蛾类的机制中有着重要的作用[50]，单宁、黄酮含量与杨树被害率呈负相关[51]；外源JA 的处理也使得青杨叶片的蛋白质、可溶性糖类含量显著降低[49]，使得舞毒蛾得不到充足的能量来源，进一步影响其生长发育和繁殖行为。相似的结果也在外源JA 处理对美洲山杨（P. tremuloides）[52]、合作杨[53，54]中得到验证。

3.2 水杨酸（SAs）

水杨酸（SA）是一种酚类化合物，在双子叶和单子叶植物中广泛存在，水杨酸甲酯MeSA 可作为气传信号使杨树的抗虫性提高，成为杨树的另一防御反应诱导因子。 赵玲等[55]通过MeSA 熏蒸黑杨叶片，证明了MeSA 可诱导黑杨对杨扇舟蛾的抗性，表现为幼虫体重降低、发育历期延长、食物利用率和营养代谢能力的下降等，但未对黑杨叶片的相关酶活性和营养成分含量进行测定，所以对MeSA 诱导黑杨抗虫性的机制尚不清楚。

4 讨论

4.1 关于杨树转抗虫基因

杨树因其易无性繁殖、易离体操作、基因组小、易鉴定和克隆基因等优点，经过多年的发展，杨树成为了林木转基因工程的模式植物，人们现在已经能稳定获得遗传转化有单个或多个抗虫基因的杨树幼苗植株，但外源抗虫基因并非能转入到所有的杨树品种，目前已获得转基因株系的杨树品种集中在黑杨派（欧美杨、美洲黑杨等）和白杨派（毛白杨、新疆杨等），但无法转入到北京杨（P. beijingensis）、青杨和群众杨（P. populeris）[9]等青杨派、大叶杨派品种中，也未见胡杨派转基因的相关报道，可能与抗虫基因与杨树的基因型之间的亲和性有一定的关系。

通常杨树抗虫性的研究均通过室内饲虫试验，根据幼虫死亡率确定转基因杨树的抗性水平，获得了理论上比较有力的数据支持。 田间试验结果证明转基因杨树对靶标害虫具有明显的抗性，且对非靶标生物没有明显的毒害作用[56]。 一般高抗株系更加受到重视，而在实际应用转基因杨树时，建议选择含有多种抗虫基因和不同抗性水平的转基因株系，营造混交林，将大大有利于维护生态系统的平衡和生物多样性[57]。杨树的生长周期较长，且在自然生态系统和城市绿化建设中占有主导地位，所以在全面应用转基因杨树之前，应长期进行转基因杨树外源基因的稳定表达研究和对生态安全的影响评价。

4.2 关于外源化学物质的诱导抗性

对杨树施用JAs、SAs 等外源化学物质对害虫具有显著的影响，但JAs、SAs 本身具有很强的挥发性，室内检测尚可得到准确的结论，若在田间处理时易受到温度、湿度等天气因素的影响，很大程度上会影响这些外源化学物质的处理效果，这对寻找JAs、SAs 诱导杨树抗虫性的合理浓度范围造成了一定的阻碍。另外，目前的研究仅应用单一种类的外源化学物质来诱导杨树抗性，大多数研究认为，JAs 与SAs存在拮抗作用，但二者在诱导植物防御反应中又表现出协同效应[58]，能否同时应用多种植物激素诱导杨树抗性值得进一步的研究。

昆虫取食行为可视为对植物的一种逆境胁迫，除JA 和SA 外，脱落酸（ABA）也是一种重要的与环境胁迫密切相关的植物激素，尚未在杨树抗性上有所研究和应用。 ABA 与JA 在结构、生理作用上类似，当植物遭到逆境时，体内的JAs 和ABA 含量均明显增加[59]，且外源ABA 能够诱导某些外源JAs 不能诱导的逆境胁迫相关的蛋白的表达[60]，应用外源ABA 能否诱导杨树抗虫性，或能否可能弥补JAs 或SAs 诱导抗性的局限性，也是值得探索的问题。