水稻抗稻瘿蚊的离子组研究

蒋哲 范晓苏 曹振宇 周桂花 陈英之 莫怿 覃宝祥 邱永福

摘要：【目的】探索水稻中不同營养元素响应稻瘿蚊取食的差异，为稻瘿蚊防治及水稻抗稻瘿蚊机理阐释提供新思路。【方法】以稻瘿蚊抗性近等基因系43W-NIL和感性品系9311为材料，利用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定抗感水稻材料在接种稻瘿蚊后第0、5、7和9 d时植株体内的营养元素含量；利用水培法验证关键元素受稻瘿蚊取食诱导的变化；通过qRT-PCR测定与营养元素代谢相关基因在抗感材料中的表达量。【结果】离子组分析共鉴定25种营养元素，大部分元素在抗感材料及稻瘿蚊取食前后差异明显。接种稻瘿蚊后，与9311的第0 d相比，43W-NIL中Ti、K、P和S元素含量较高，而Pb、Sr和Ca元素含量较低。离子组的主成分分析发现，PC1和PC2分量分别解释40.0%和24.7%的变异。主成分载荷分析结果表明，Ca、Sr、Co、Pb、Be、Sb、Fe、Ti、P、S和K的含量变化可以区分抗性和感性材料，且影响稻瘿蚊抗性最重要的5种元素依次为Ca、Sr、P、K、Co。水培植株的接虫试验发现，高浓度的外源Ca处理可促进稻瘿蚊幼虫在抗性水稻中生长，而低浓度P、K处理会抑制稻瘿蚊幼虫在感性材料中生长。qRT-PCR结果显示，钙调蛋白基因（OsCML20）表达量与Ca2+含量的变化趋势相同；钾转运蛋白基因（OsHAK12）的表达量在抗感材料中均表现为先下降后上升。【结论】Ca、P和K等3种元素可能在水稻响应稻瘿蚊取食中发挥关键作用。OsHAK12和OsCML20基因可能是稻瘿蚊抗性表达机制中的重要基因。离子组学可从元素、营养的角度发现水稻在被稻瘿蚊取食时的差异，为植物抗虫机理研究提供新思路。

关键词： 水稻；稻瘿蚊；离子组；营养抗性；基因表达

中图分类号： S435.112.5                      文献标志码： A 文章编号：2095-1191（2023）02-0424-10

Abstract：【Objective】To explore changes of different nutrients in rice gall midge （RGM）-infested rice plants， and to provide new ideas for RGM prevention and control and resistance mechanism elucidation. 【Method】RGM-resistant near-isogenic line 43W-NIL and susceptible line 9311 were taken as materials， and inductively coupled plasma mass spectrome-try （ICP-MS） technique was used to determine nutrient element content in RGM-resistant and -susceptible rice materials at 0， 5， 7 and 9 d of inoculation； changes of key elements induced by insect infestation were verified by hydroponic me-thod； and expression of genes related to nutrient element metabolism was determined in susceptible material by qRT-PCR.【Result】A total of 25 nutrient elements were identified by ionome analysis， and most of them differed greatly in resistant and susceptible materials or before and after RGM infestation. After RGM inoculation， compared with 9311 at 0 d， in 43W-NIL， contents of Ti， K， P and S elements were higher， while contents of Pb， Sr and Ca elements were lower. Principal component analysis of the ionome revealed that the PC1 and PC2 components explained 40.0% and 24.7% of the variance， respectively. Principal component loading analysis showed that according to variation of Ca， Sr， Co， Pb， Be， Sb， Fe， Ti， P， S， and K content， resistant and susceptible materials could be distinguished， and in order of importance， elements affecting RGM resistance were Ca， Sr， P， K， and Co. The inoculation experiment of hydroponic plants revealed that high concentrations of exogenous Ca treatment promoted RGM larvae growth in resistant rice， while low P and K concentration treatments inhibited RGM larvae growth in susceptible materials. According to qRT-PCR results， calcium-regulated protein gene （OsCML20） expression showed the same changing trend as Ca2+ ion content， while potassium transporter protein gene （OsHAK12） expression showed a decrease and then an increase in both resistant and susceptible materials. 【Conclusion】Three elements， Ca， P and K may play a key role in the response of rice to RGM infestation. OsHAK12 and OsCML20 genes may be the important genes in RGM resistance expression mechanism. Ionomics could help explore difference of rice during RGM infestation， so as to provide new ideas for studies on plant insect resistance mechanism.

Key words： rice； Orseolia oryzae（rice gall midge）； ionome； nutritional resistance； gene expression

Foundation items： National Natural Science Foundation of China （32260462）； Guangxi Natural Science Foundation （2020GXNSFDA297008）

0 引言

【研究意義】水稻（Oryza sativa）是人类最重要的粮食作物之一，全世界有近一半人口以稻米为主食。水稻在整个生长周期均会遭遇环境不适、营养缺失、病虫危害等逆境，导致其发育不良、减产、甚至整株死亡。害虫是影响水稻生长发育的主要因素之一，由于抗虫水稻品种老化，近年来各地的水稻虫害发生越来越频繁（严火其，2021）。危害水稻生长的害虫种类较多，其中稻瘿蚊是影响水稻生长的常见害虫之一。稻瘿蚊（Orseolia oryzae，Wood-Mason）（RGM）属双翅目瘿蚊科，幼虫会借助露水爬行，从叶鞘处进入水稻幼苗，啃食生长点，使其停止发育并形成葱管状畸形茎，导致该分蘖形成畸形分蘖，无法进入生殖生长。目前稻瘿蚊的防治主要通过喷施农药或寻找抗虫基因并培育抗虫品种，而探索稻瘿蚊营养抗性的研究尚无文献报道。因此，探索不同营养元素响应稻瘿蚊取食的差异，对水稻抗稻瘿蚊研究具有重要意义。【前人研究进展】近年来对稻瘿蚊的研究主要集中在查找抗性基因方面，目前在水稻中已定位到12个抗性基因（郭辉等，2010；Leelagud et al.，2020），通过杂交育成抗虫品种是防治稻瘿蚊的主要手段。林成豹等（2013）以含有稻瘿蚊抗性基因Gm6的水稻品种抗蚊青占为基因供体亲本，三明显性核不育水稻为载体，通过多次回交获得含有Gm6的纯合株系BSC9246；郭生河等（2017）利用三系不育系赣香A为母本，选用强优恢复系双抗明占为父本配组选育了杂交稻组合赣优明占，该品种高抗稻瘿蚊、稻瘟病。此外，前人还针对稻瘿蚊取食后水稻植株的代谢和转录进行了研究。陈灿等（2021）测定了抗稻瘿蚊水稻材料GXM-001-2和易感材料TN1的代谢组，发现脂肪酸及其衍生物、氨基酸、酚类、萜类和胺类可能在植物抗虫防御反应中发挥重要作用；卢柏亦等（2022）通过测定稻瘿蚊取食水稻前后的基因表达差异，发现共有1206个基因响应稻瘿蚊取食，其中，与植物光合作用及次生代谢物合成相关的基因在抗感材料中表达量差异显著。植物在生长过程中离不开各种元素的吸收，而不同元素在植物体内发挥着不同作用：作为细胞的组成成分或信号因子等。Lahner等（2003）通过拓宽Outten和OHalloran（2001）关于金属组的概念，结合高通量测定手段，提出了离子组学的概念。离子组学是一种新兴的组学分析手段，其利用高通量测序手段，如电感耦合等离子质谱仪（ICP-MS）等测定植物体内的离子含量变化，研究离子在植物体内的作用。自离子组学的概念提出以来，众多学者将这项分析技术运用到植物生理与生态学的研究之中。Lahner等（2003）通过测定13000株拟南芥中18种元素的含量，筛选出51个具有显著表型的突变体。沙之敏等（2016）发现不同水稻种植模式的籽粒离子组存在显著差异，离子组的主成分分析可以清晰地区分常规种植、绿色蛙稻和有机蛙稻3种种植模式。张晓燕等（2016）研究发现，钾元素可通过提高苜蓿碳水化合物的合成（尤其是可溶性糖和淀粉）及生长性能来增强对蓟马的耐害性。唐铎腾等（2017）研究发现，在CK和缺磷的条件下，雌雄青杨幼苗不同组织中10种元素含量存在显著差异，离子组的主成分分析发现，PC1和PC2两个分向量可很好地区分不同组织和不同处理间的差异。胡桂馨等（2020）研究发现，施磷可增强苜蓿对蓟马的耐害性，在虫害压力适中时，施磷可提高苜蓿地上部分的补偿生长能力；而虫压较大时，施磷保证根系的生长以维持其生存。刘扬等（2022）通过分析武夷岩茶的离子组学及代谢组学，证实不同地域的武夷岩茶具有独特的“地域香”，而磷是造成香味不同的关键元素。【本研究切入点】目前，离子组学多应用在植物缺素响应的研究中，而在植物抗病虫害方面的研究几近空白状态，关于水稻在抗稻瘿蚊过程中的离子变化以及对稻瘿蚊取食后的营养元素响应尚未见报道。【拟解决的关键问题】利用ICP-MS测定抗感水稻接种稻瘿蚊后不同时间点植株体内的营养元素含量，通过水培方法验证关键元素受稻瘿蚊取食诱导的变化，并通过qRT-PCR测定与营养元素相关基因的表达量，探究不同营养元素对稻瘿蚊生长发育的影响，以期为水稻抗稻瘿蚊研究提供参考。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

水稻品种抗蚊青占（43W），携带稻瘿蚊抗性基因Gm6，高抗稻瘿蚊中国Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型；品系9311，高感稻瘿蚊；前期研究中，本研究团队已构建以9311为遗传背景包含Gm6的近等基因系，简称43W-NIL（Li et al.，2020）。日本晴（NIP）、珍汕97（ZS97）、明恢63（MH63）和中花11（ZH11）均为稻瘿蚊感性材料。供试水稻材料均由亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室保存。

1. 2 稻瘿蚊成虫获取

从广西崇左市大新县雷平镇明仕田园（风景区）附近稻田采集含有稻瘿蚊的分蘖，带回实验室后置于14 d苗龄的感性品系9311上。稻瘿蚊一般在7 d内可完成羽化、交配及产卵，并在约25 d后繁殖出第1批成虫。

1. 3 水稻材料抗性鉴定

参考Cheng等（2021）的方法，铁皮托盘（58 cm×38 cm×9 cm）装入适量的稻田土，纵向均分为2列，每列再均分为12列，共计24个长方形格子。每格播种约20粒发芽种子并用网罩（44 cm×34 cm×44 cm）覆盖。每个材料随机播种3个重复。接虫14 d后，受稻瘿蚊侵害的幼苗呈现基部膨大现象，并开始出现形似葱管的组织，称之为“标葱”。接虫20 d时统计每个材料标葱的数量，计算出葱率，以此作为判断水稻幼苗对稻瘿蚊抗性的依据。

参考Cheng等（2021）的方法进行杯播接虫，用于离子组测定。杯内装入适量的稻田土，每杯分别播种12粒43W-NIL或9311已发芽种子，于14 d后接入6只稻瘿蚊雌性成虫进行接虫试验。接虫后第0、5、7和9 d，每杯取3株幼苗用于离子组测定。试验设6个重复，每个重复3杯。

1. 4 水稻幼苗水培及虫长测量

将发芽水稻种子间隔置于48孔底部磨平的PCR板中，在全营养水培液培养14 d，随后转移到含有 15个独立小格的水培盆（31 cm×24 cm×8 cm）中进行培养。根据不同的试验处理添加不同的营养液预处理5 d，再接种稻瘿蚊。水稻幼苗按每15株苗1头雌虫的比例进行接虫，接虫后盖上网罩并覆盖遮光布，用水浇透保持湿度。接虫后第9 d取样，每处理取5株幼苗，3个重复共计15株苗。用解剖刀切开水稻幼苗并在体式显微镜（日本Olympus，SZ61）下测量稻瘿蚊幼虫的长度。

1. 5 离子组测定

将样品在105 ℃烘干至恒重后研磨粉碎过筛，每份样品称取0.25 g，在微波消解仪（MASTER 40，上海新仪微波化学科技有限公司）上消解，最后用2%硝酸定容至25 mL，定容后样品中的B、Li、Be、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Hg、Mn、Mo、Ni、Pb、Sb、Se、Sr、Ti、Tl、V、Zn、Ca、K、Mg、P和S离子含量使用ICP-MS（美国PerkinElmer公司，NEXION 350X）进行测定。感性材料9311接虫后第0、5、7和第9 d的测定样品（數据）分别以S0、S5、S7和S9表示，抗性材料43W-NIL相应用R0、R5、R7和R9表示。

1. 6 营养液配制

参考刘剑镔（2018）的方法，配制A～G共7种母液，即1 L溶液中分别包含以下溶质：A液，NH4NO3 80 g；B液，NaH2PO4·H2O 93.6 g；C液，K2SO4 52.4 g；D液，CaCL2 33.37 g；E液，MgCl2·6H2O 122 g；F液，FeCl3·6H2O 8.3 g；G液，H3BO3 3.01 g、MnSO4·5H2O 2.17 g、CuSO4·5H2O 0.075 g、ZnSO4·7H2O 0.2008 g、Na2MoO4·2H2O 0.024 g。使用时，每1 L水加母液1 mL，同时添加相同量的A～G母液时为全营养培养液。配制低浓度水培液是在原有全营养液基础上，分别将Ca、K、P浓度降低一半（即母液D、C、B），而高浓度水培液则是将Ca、K、P浓度增加至原来的3倍（即母液D、C、B），其他元素不变。

1. 7 相关基因表达量测定

选取接虫第0、5和7 d的幼苗，参照试剂盒说明书提取总RNA，并进行逆转录（RC411-01、R323-01，南京Vazyme公司），以获得水稻幼苗的总cDNA，根据说明进行qRT-PCR（qTOWER3，德国Analytik-Jena公司），获得选定基因在水稻中的相对表达量。

1. 8 统计分析

使用SPSS 22对试验数据进行差异显著性分析，利用GraphPad Prism 8制作柱状图、箱线图及热图。使用SIMAC 14进行主成分分析（PCA），将偏最小二乘法判别分析应用于离子组数据集，同时用其进行主成分分析图以及主成分载荷图制作，对接种稻瘿蚊后水稻植株内营养元素含量及稻瘿蚊幼虫长度的变化规律进行探索。

2 结果与分析

2. 1 43W-NIL的抗稻瘿蚊鉴定结果

利用稻瘿蚊侵染9311（图1-A和图1-B），在第20 d时出现明显的葱管（图1-C）。接虫后第9 d，43W和43W-NIL的虫长分别为0.516、0.518 mm，而9311植株中的幼虫长度达0.868 mm（图1-D）。43W和43W-NIL的出葱率仅为1%和2%，而9311为90%（图1-E）。

2. 2 离子组测定结果

共测定抗感材料植株的25种营养元素含量，将接种处理后S5、S7、S9、R0、R5、R7、R9与S0进行比较，得到的比值绘制成热图（图2）。从图2可知，抗感材料中营养元素的含量差异明显。如，相比S0，接虫后抗性材料植株的Ti、K、P和S含量明显增加，而Pb、Sr和Ca含量明显下降；感性材料中，接虫处理后植株的Be和Pb含量呈下降趋势，Cr、Mg和Sr含量则呈上升趋势，而Hg、Ni和Tl含量在接虫后第7和第9 d表现相反。在抗性材料中，相比R0，接虫后植株的K含量明显下降，而Cr、Cu、Fe、Pb、Sb、Se、Zn、Ca和Mg含量则呈先下降后上升的特点。

2. 3 离子组主成分分析结果

将抗感水稻材料测定的离子组导入到SIMAC 14中进行主成分分析，结果如图3。从图3-A可看出，不同时间点测定的离子组数据具有明显的空间分布特征，PC1和PC2两个向量贡献率共占64.7%，其中PC1分量能解释全部8个样品中40.0%的差异，能有效区分抗、感2个材料；PC2分量解释总数据24.7%的差异，在该向量中，S0、S9、R0和R9出现在正象限，而S5、S7、R5和R7出现在负象限。同时发现S0与S9，R0与R9在雷达图上的分布位置靠近，说明这2个时间点植株各元素的含量相近；S5与S0，R5与R0分布较远，说明接虫后水稻组织内的元素含量发生了明显变化。

由主成分载荷图（图3-B）可知，组Ⅰ和组Ⅱ分布在PC1向量正负两个象限的最外端，而组Ⅲ和组Ⅳ则分布在PC2向量正负两个象限的最外端。组Ⅰ和组Ⅱ的元素在分量PC1中权重较高，组Ⅰ中的Ca、Sr、Co、Pb、Be、Sb、Fe及组Ⅱ中的Ti、P、S、K元素含量变化规律为主要特征区分了抗性和感性材料；组Ⅲ的B、Zn、Mo及Ⅳ组的Hg、Li、Ni、Tl对分量PC2的影响最大，区分了接虫后不同天数的差异。由载荷绝对值图（图3-C）可发现，在分量PC1中权重最高的前5种元素依次为Ca、Sr、P、K、Co，其中，在水稻生长发育中起到重要作用的大量元素有Ca、P和K。

2. 4 不同浓度Ca、P、K营养液对稻瘿蚊幼虫生长的影响

根据主成分分析结果，选取区分抗、感材料中作用最大的3个大量元素，即组Ⅰ的Ca、组Ⅱ的K和P元素进行验证试验。分别配制Ca、K、P的高浓度和低浓度2种水培营养液，令稻瘿蚊抗性籼稻43W-NIL和感性籼稻9311在不同浓度营养液下培养，进行稻瘿蚊接种试验。由图4-A可看出，在K、P两种元素的高、低2种浓度水培条件下，43W-NIL中稻瘿蚊幼虫长度与CK相比无显著差异（P>0.05）；但在高浓度Ca营养液中，抗性植株中稻瘿蚊幼虫长度达0.756 mm，显著高于CK（P<0.05，下同），而低浓度Ca营养液培养的抗性植株未观察到此现象。在高浓度P、K水培液处理下可促进感性水稻9311植株中稻瘿蚊幼虫生长，并显著高于对照（图4-B）；而低浓度P、K水培液处理能降低感性植株中稻瘿蚊幼虫的生长速度，但仍大于同时期抗性材料中的幼虫长度。

2. 5 高低P、K浓度处理对感虫水稻植株中稻瘿蚊幼虫生长的影响

为探究不同浓度P、K水培对稻瘿蚊幼虫生长的影响是否普遍，对稻瘿蚊感性品种ZH11、NIP、ZS97、MH63进行了接虫试验。结果（图5）显示，在低浓度的P、K处理下，4个感性水稻幼苗中的稻瘿蚊幼虫生长速度均减缓，且显著低于CK。高浓度的P、K水培会促进稻瘿蚊幼虫在感性水稻中生长，但在不同品种中的表现存在差异。在NIP和MH63中，P元素对稻瘿蚊幼虫的影响比K元素小（图5-B和图5-C），在相同浓度处理下，K元素处理的稻瘿蚊幼虫虫長变化幅度更大。在ZH11和ZS97中，低浓度的K元素处理对稻瘿蚊幼虫生长影响较P元素大，而在高浓度营养液培养时，P元素对稻瘿蚊幼虫生长的影响大于K元素（图5-A和图5-D）。

2. 6 Ca、P、K相关基因在水稻中的表达

本研究团队在前期研究中已测定稻瘿蚊抗性水稻品种43W-NIL和感性水稻品种9311的转录组（数据未发表）。结合离子组分析，本研究从转录组中选取7个与Ca、K、P元素吸收、转运有关，且表达量存在明显差异的基因，分别是钙调蛋白基因OsCML20和OsCML4、钙通道蛋白基因OsCCD1、钾转运蛋白基因OsHAK12和OsHAK5、钾离子通道蛋白基因OsSKOR及磷酸盐转运蛋白基因OsPT12，验证其在43W-NIL和9311中的表达差异。图6-A-1结果显示，Ca2+含量在43W-NIL中呈先下降后上升的变化趋势；OsCML20的荧光定量结果（图6-A-2）表明，43W-NIL中的表达量低于同一时间点的9311，同时其表达量变化趋势与抗感材料内Ca2+含量变化趋势相同；OsCML4和OsCCD1的表达量在抗感材料中均呈先上升后下降的变化趋势（图6-A-3和图6-A-4）。

图6-B-1结果显示，43W-NIL与9311植株内的K+含量存在显著差异，43W-NIL的K+含量均高于同时间点的9311。在与K相关的3个基因中，OsHAK12和OsHAK5在不同时间点均出现了表达量差异，且OsHAK12在2个材料中均呈现相对表达量先下降后上升的变化趋势（图6-B-2和图6-B-3）。43W-NIL中，OsSKOR的相对表达量会随着接虫时长变长而上升；而在9311中，OsSKOR的相对表达量在第5 d时出现跨越式增长，但在第7 d时增长速度放缓，与第5 d持平（图6-B-4）。

图6-C-1结果显示，43W-NIL中P离子含量呈先下降后上升的变化趋势，而在9311中则呈先上升后下降的变化趋势。OsPT12的荧光定量结果（图6-C-2）显示，OsPT12在不同时间点的相对表达量在抗感材料中存在显著差异，同时，相对表达量均出现第5 d时上升、第7 d时下降，且均大于第0 d的现象。

3 讨论

已有研究表明，ICP-MS法可精确测定样品中的元素含量并应用于差异分析。沈静等（2014）利用该方法测定新疆野生樱桃李及栽培品种果肉中17种元素含量，发现其栽培种和野生种果实中K、Ca、Mg含量最高；李双男等（2019）测定不同盐碱胁迫下棉花中13种元素含量的变化，发现盐碱胁迫制约P、K、Ca、Mg、Zn、Mn、Fe向地上部转运，使棉花离子调控能力下降导致离子失衡，棉花体内Na含量显著增加；李刚等（2022）测定了小麦幼苗中11种元素在2种磷素水平处理下的响应，发现低磷供应有助于维持细胞内离子稳态，增强对干旱胁迫的耐性。本研究利用ICP-MS法测定25种与稻瘿蚊取食相关的营养元素，发现Ca、Sr、P、K、Co在抗感材料中存在明显差异。可见，ICP-MS法能有效鉴定稻瘿蚊取食水稻后水稻植株离子组差异变化，为后续离子参与功能研究打下基础，也为其他水稻抗虫离子组学研究提供参考。

K是一种重要的营养元素，可提高农作物的抗逆性及耐受性。在不同的互作模式中，K发挥的作用也不同。在针对刺吸式水稻害虫褐飞虱的研究中，外源添加K肥可起到提高植株K含量的作用，但会降低植物组织中游离糖和可溶性蛋白质的含量，导致水稻植株在被褐飞虱取食后相对含水量的降低幅度最小，这有助于提高水稻植株对褐飞虱的耐受性（Rashid et al.，2016）。而在Amtmann等（2008）的研究中发现K缺乏的植物中水杨酸和茉莉酸的水平较高，可能会诱导植物产生对昆虫的免疫防御。在本研究中，高浓度的K、P营养液会促进稻瘿蚊幼虫在感性水稻中生长。在低浓度的K、P培养液处理时，感性水稻幼苗中的稻瘿蚊幼虫生长受到抑制，虫长相比CK显著降低。说明稻瘿蚊的抗性机理较其他常见害虫有所不同，还有待进一步探究。另外，本研究发现高浓度的Ca会促进抗性水稻中稻瘿蚊幼虫的生长。前人研究发现，在土壤中增加Ca肥能提高植物的抗逆境及抗病能力（刘峰等，2004）。Zeng等（2020）的研究结果表明，增加基质中CaCl2的添加量可促进芸豆叶片脂氧合酶（LOX）、苯丙氨酸氨裂解酶（PAL）和β-1，3-葡聚糖酶活性提升，增强植株对蓟马的抗性。在本研究中，43W-NIL的Ca含量限制在很低水平，其含量远低于9311，而施加外源Ca能促进稻瘿蚊的生长，表明Ca对水稻抗稻瘿蚊具有重要作用。

作为重要的信号因子之一，Ca2+在响应稻瘿蚊侵染的过程中发挥了重要作用。在水稻接种稻瘿蚊后的第5 d，3个与Ca相关基因的表达量均出现了变化，且其在抗性材料中的表达量均低于感性材料，其中，OsCML20表达量与相同时间点43W-NIL中Ca2+含量的变化趋势一致，说明OsCML20可能是抗性材料中调节Ca2+浓度的主要基因。本研究发现与K+相关的3个基因中在不同时间点的表达各有差异，且与对应的K+含量没有共同的变化趋势。Liu等（2022）在研究水稻根结线虫时发现，K2SO4通过快速诱导并积累过氧化氢及增加胼胝体，减少了水稻植株中的虫瘿和线虫，推迟了线虫的发展；同时，研究人员发现，在钾通道OsAKT1和转运体OsHAK5基因缺陷的植株中出现了较野生型更多的瘿瘤和线虫。本研究中，9311中OsHAK5和OsHAK12基因的表达量均高于43W-NIL，与Liu等（2022）的研究结果存在差异。与P离子相关的基因OsPT12起到吸收和转运磷酸盐的功能，其表达量会受到外界环境因素和自身磷素水平的影响（孙雅菲等，2020）。本研究中，抗感材料中OsPT12的相对表达量在接虫后第5 d均出现明显的上升，而在第7 d时出现下降，但未恢复到接种稻瘿蚊前的水平，而P离子含量则呈现出相反的变化趋势。说明在接种稻瘿蚊后，稻瘿蚊啃食水稻生长点，可能会造成水稻幼苗P元素流失，出现低P胁迫，OsPT12基因需要提高表达量促进水稻幼苗对土壤中P元素的吸收。说明OsPT12基因起到维持水稻中P元素动态平衡的作用。

4 结论

影响稻瘿蚊抗性最重要的5种元素依次为Ca、Sr、P、K和Co；减少培养液中Ca、K和P含量可在一定程度上减缓稻瘿蚊幼虫的生长速度，降低稻瘿蚊发生世代，表明Ca、P和K可能在水稻响应稻瘿蚊取食中发挥关键作用。OsHAK12和OsCML20基因可能是稻瘿蚊抗性表达机制中的重要基因。离子组学可从元素、营养的角度发现水稻在被稻瘿蚊取食时的差异，为植物抗虫机理研究提供新思路。

参考文献：

陈灿，张宗琼，夏秀忠，杨行海，农保选，张晓丽，徐志健，李丹婷，郭辉，冯锐. 2021. 代谢组学揭示水稻——稻瘿蚊互作的潜在生化标识物［J］. 南方农业学报，52（10）：2662-2670. ［Chen C，Zhang Z Q，Xia X Z，Yang X H，Nong B X，Zhang X L，Xu Z J，Li D T，Guo H，Feng R. 2021. Metabolomics reveals potential biomarkers of rice gall midge （Orseolia oryzae） interactions［J］. Journal of Sou-thern Agriculture，52（10）：2662-2670.］ doi：10.3969/j.issn. 2095-1191.2021.10.005.

郭辉，冯锐，秦学毅，张慧英，唐建淮. 2010. 水稻抗稻瘿蚊基因的研究与利用现状［J］. 杂交水稻，25（1）：4-8. ［Guo H，Feng R，Qin X Y，Zhang H Y，Tang J H. 2010. Current situation of research and application of rice gall midge resistant genes［J］. Hybrid Rice，25（1）：4-8.］ doi：10.16267/j.cnki.1005-3956.2010.01.003.

郭生河，饒鸣钿，黄显波，林成豹，邓则勤，唐江霞. 2017. 抗稻瘟病、抗稻瘿蚊杂交稻“赣优明占”的生物学特性与产量结构分析［J］. 江西农业学报，29（7）：14-17. ［Guo S H，Rao M D，Huang X B，Lin C B，Deng Z Q，Tang J X. 2017. Biological characteristics and yield structure of rice-blast-resistant and rice-gall-midge-resistant hybrid rice “Ganyoumingzhan”［J］. Acta Agriculturae Jiangxi，29（7）：14-17.］ doi：10.19386/j.cnki.jxnyxb.2017.07.04.

胡桂馨，彭然，崔晓宁，刘艳君，李亚姝，曾文芳. 2020. 施磷对苜蓿光合产物在根茎叶的分配及抗蓟马的影响［J］. 中国生态农业学报，28（7）：969-978. ［Hu G X，Peng R，Cui X N，Liu Y J，Li Y S，Zeng W F. 2020. Effect of phosphorus application on carbohydrate distribution inroots，stems and leaves of alfalfa and resistance to thrips （Thysanoptera：Thripidae）［J］. Chinese Journal of Eco-Agriculture，28（7）：969-978.］ doi：10.13930/j.cnki.cjea.

190812.

李刚，白阳，贾子颖，马正阳，张祥池，李春艳，李诚. 2022. 两种磷素水平下小麦苗期对干旱胁迫的离子组和代谢组响应［J］. 中国农业科学，55（2）：280-294. ［Li G，Bai Y，Jia Z Y，Ma Z Y，Zhang X C，Li C Y，Li C. 2022. Phosphorus altered the response of lonomics and metabolomics to drought stress in wheat seedlings［J］. Scientia Agricultura Sinica，55（2）：280-294.］ doi：10.3864/j.issn.0578- 1752.2022.02.004.

李双男，郭慧娟，侯振安. 2019. 不同盐碱胁迫对棉花离子组稳态及Na+相关基因表达影响［J］. 棉花学报，31（6）：515-528. ［Li S N，Guo H J，Hou Z A. 2019. Ionic homeostasis and expression of Na+ related genes of cotton under different salt and alkali stresses［J］. Cotton Science，31（6）：515-528.］ doi：10.11963/1002-7807.1snhza.20191106.

林成豹，唐江霞，邓则勤，黄显波，林美娟，梁水金. 2013. 以三明显性核不育水稻为载体转导水稻抗稻瘿蚊基因Gm6［J］. 福建农业学报，28（5）：438-442. ［Lin C B，Tang J X，Deng Z Q，Huang X B，Lin M J，Liang S J. 2013.Transduction of gall midge resistance gene，Gm6，for rice using Sanming dominant genic male sterile rice as vector［J］. Fujian Journal of Agricultural Sciences，28（5）：438-442.］ doi：10.19303/j.issn.1008-0384.2013.05.006.

刘峰，张军，张文吉，王洪刚. 2004. 土壤施钙诱导水稻幼苗抗低温和抗病生理机制研究［J］. 应用生态学报，15（5）：763-766. ［Liu F，Zhang J，Zhang W J，Wang H G. 2004. Physiological mechanism of rice seedlings in low tempera-ture-and damping-off disease resistance induced by cal-cium application into soil［J］. Chinese Journal of Applied Ecology，15（5）：763-766.］ doi：10. 13287/j.1001-9332.2004. 0163.

刘剑镔. 2018. 广西普通野生稻苗期耐冷QTL qCTS12精细定位及其调控模式研究［D］. 南宁：广西大学. ［Liu J B. 2018. The fine mapping and regulation model research of Common wild rice in Guangxi QTL qCTS12，a locus positively responses chill in rice seedling stage［D］. Nanning：Guangxi University.］

刘扬，卓座品，石晨，刘贝，薛俊鹏，梁丽妮，王瑜，许锐能，刘宝顺，徐茂兴，叶江华，孙丽莉，廖红. 2022. 闻香识茶：武夷岩茶地域香代谢组及离子组基础［J］. 中国科学：生命科学，52（2）：273-284. ［Liu Y，Zhuo Z P，Shi C，Liu B，Xue J P，Liang L N，Wang Y，Xu R N，Liu B S，Xu M X，Ye J H，Sun L L，Liao H. 2022. Scent of tea：Metabonomic and ionomic basis of regional aroma of Wuyi rock tea （in Chinese）［J］. Scientia Sincia（Vitae），52（2）：273-284.］ doi：10.1360/ SSV-2021-0140.

卢柏亦，蒋哲，鄢柳慧，钟小惠，李晶莹，黄福钢，李发活，莫德原，邱永福. 2022. 水稻幼苗响应褐飞虱和稻瘿蚊的转录组分析［J］. 南方农业学报，53（3）：628-640. ［Lu B Y，Jiang Z，Yan L H，Zhong S H，Li J Y，Huang F G，Li F H，Mo D Y，Qiu Y F. 2022.Transcriptome analysis of rice seedlings responding to brown planthopper infestation and to gall midge infestation［J］. Journal of Southern Agriculture，53（3）：628-640.］ doi：10.3969/j.issn.2095-1191.2022. 03.005.

沙之敏，袁婧，趙峥，岳玉波，姚健，曹林奎. 2016. 水稻种植模式对水稻籽粒离子组的影响［J］. 中国生态农业学报，24（5）：600-607. ［Sha Z M，Yuan J，Zhao Z，Yue Y B，Yao J，Cao L K. 2016. Ionome of rice seed response to rice cultivation patterns［J］. Chinese Journal of Eco-Agriculture，24（5）：600-607.］ doi：10.13930/j.cnki.cjea.151146.

沈静，薛海燕，李改茹，鹿毅，姚军. 2014. 新疆野生樱桃李及栽培品种果肉中17种元素含量ICP-MS法测定（英文）［J］. 光谱学与光谱分析，34（9）：2557-2560. ［Shen J，Xue H Y，Li G R，Lu Y，Yao J. 2014. Measuring the content of 17 elements in the flesh of prunus cerasifera and its cultivars by ICP-MS［J］. Spectroscopy and Spectral Ana-lysis，34（9）：2557-2560.］ doi：10.3964/j.issn.1000-0593（2014）09-2557-04.

孙雅菲，宋科，孙丽娟，秦秦，薛永. 2020. 水稻响应缺磷信号的分子调控机制［J］. 分子植物育种，18（6）：1883-1892. ［Sun Y F，Song K，Sun L J，Qin Q，Xue Y. 2020. Molecular regulation mechanism of response to phosphate deficiency in rice［J］. Molecular Plant Breeding，18（6）：1883- 1892.］ doi：10.13271/j.mpb.018.001883.

唐铎腾，周荣，张胜. 2017. 雌雄青杨幼苗对磷缺乏差异响应的离子组学研究［J］. 山地学报，35（5）：669-676. ［Tang D T，Zhou R，Zhang S. 2017. Ionomics of the differential response of male and female cycad seedlings to phosphorus deficiency［J］. Mountain Research，35（5）：669-676.］ doi：10.16089/j.cnki.1008-2786.000266.

严火其. 2021. 农业害虫危害何以越来越严重［J］. 中国农史，40（3）：3-15. ［Yan H Q. 2021. Why are agricultural pests becoming more and more harmful［J］. Agricultural History of China，40（3）：3-15.］

张晓燕，王森山，李小龙，李亚娟，胡桂馨. 2016. 不同施钾量对苜蓿碳水化合物含量及抗蓟马的影响［J］. 草业学报，25（10）：153-162. ［Zhang X Y，Wang S S，Li X L，Li Y J，Hu G X. 2016. Effects of potassium application rates on carbolhydrate content and resistance to thrips （Thripidae） in alfalfa［J］. Acta Prataculturae Sinica，25（10）：153- 162.］ doi：10.11686/cyxb2016144.

Amtmann A，Troufflard S，Armengaud P. 2008. The effect of potassium nutrition on pest and disease resistance in plants［J］. Physiologia Plantarum，133（4）：682-691. doi：10.1111/ j.1399-3054.2008.01075.x.

Cheng L，Huang F G，Jiang Z，Lu B Y，Zhong X H，Qiu Y F. 2021. Improved phenotyping procedure for evaluating resistance in rice against gall midge （Orseolia oryzae，Wood-Mason）［J］. Plant Methods，17：121. doi：10.1186/s13007- 021-00823-5.

Lahner B，Gong J M，Mahmoudian M，Smith E L，Abid K B，Rogers E E，Guerinot M L，Harper J F，Ward J M，McIntyre L，Schroeder J I，Salt D E. 2003. Genomic scale profiling of nutrient and trace elements in Arabidopsis thaliana［J］. Nature Biotechnology，21（10）：1215-1221. doi：10.1038/nbt865.

Leelagud P，Kongsila S，Vejchasarn P，Darwell K，Phansenee Y，Suthanthangjai A，Uparang C，Kawichai R，Yajai P，Boonsa-nga K， Chamarerk V，Jairin J. 2020. Genetic diversity of Asian rice gall midge based on mtCOI gene sequences and identification of a novel resistance locus gm12 in rice cultivar MN62M［J］. Molecular Biology Reports，47：4273-4283. doi：10.1007/s11033-020-05546-9.

Li Y，Mo Y，Li Z H，Yang M，Tang L H，Cheng L，Qiu Y F. 2020. Characterization and application of a gall midge resistance gene （Gm6） from Oryza sativa ‘Kangwenqingzhan［J］. Theoretical and Applied Genetics，133（3）：579-591. doi：10.1007/s00122-019-03488-w.

Liu M Y，Peng D L，Su W，Xiang C，Jian J Z，Zhao J，Peng H，Liu S M，Kong L A，Dai L Y，Huang W K，Liu J. 2022. Potassium sulphate induces resistance of rice against the root-knot nematode Meloidogyne graminicola［J］. Journal of Integrative Agriculture，21（11）：3263-3277. doi：10.1016/j.jia.2022.08.002.

Outten C E，OHalloran T V. 2001. Femtomolar sensitivity ofmetalloregulatory proteins controlling zinc homeostasis［J］. Science，292（5526）：2488-2492. doi：10.1126/science. 1060331.

Rashid M M，Jahan M，Islam K S. 2016. Impact of nitrogen，phosphorus and potassium on brown planthopper and tole-rance of its host rice plants［J］. Rice Science，23（3）：119-131. doi：10.1016/j.rsci.2016.04.001.

Zeng G，Zhi J R，Mao Y，Yue W B，Song J. 2020. Inductive effects of exogenous calcium on the defense of kidney bean plants against Frankliniella occidentalis （Thysanoptera：Thripidae）［J］. Arthropod-Plant Interactions，14：473-480. doi：10.1007/s11829-020-09753-w.

（責任编辑 陈 燕）