甘薯（Ipomoea batatas L.）是重要的經(jīng)濟作物。作為我國的特色農(nóng)產(chǎn)品，甘薯既是保障糧食安全的底線作物，也是精準扶貧的優(yōu)勢作物。甘薯種植區(qū)主要分布在溫帶、熱帶和亞熱帶地區(qū)，但頻繁發(fā)生的蟲害已成為制約甘薯生產(chǎn)的主要因素。甘薯小象甲是甘薯種植危害最大的害蟲，也是重要的檢疫性害蟲，通過啃咬葉蔓、蛀食薯塊等，在種植期和薯塊儲存期均造成危害，并影響甘薯的產(chǎn)量和食用品質(zhì)。甘薯小象甲在亞洲薯區(qū)和非洲薯區(qū)較為嚴重，防范不當易導致絕收，給甘薯生產(chǎn)帶來經(jīng)濟損失。在我國南方，甘薯種植區(qū)一年可多代發(fā)生且世代重疊，因氣候變暖，近年來已擴散至長江流域種植區(qū)，呈逐年擴大趨勢。目前，尚無甘薯小象甲的有效抗性資源，而采取大量施用農(nóng)藥等化學防治，致使生產(chǎn)成本增加以及環(huán)境污染與食品安全等問題。因此，發(fā)掘甘薯自身的抗蟲基因資源，開展抗性分子機制研究，促進抗蟲技術(shù)開發(fā)和抗性品種選育，是解決甘薯小象甲蟲害最為經(jīng)濟環(huán)保且可持續(xù)的發(fā)展方向之一，也是當前甘薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切需求。
近年來，中國科學院華南植物園研究員侯興亮帶領(lǐng)的植物發(fā)育與品質(zhì)調(diào)控研究團隊，聚焦甘薯重要性狀遺傳基礎(chǔ)與高效精準育種技術(shù)的研究。由于甘薯小象甲抗性的研究基礎(chǔ)薄弱、甘薯抗蟲資源多樣性不高，導致抗蟲機制研究進展緩慢，有“薯道難”之稱。面對這一問題，侯興亮團隊與廣東海洋大學合作，多年來在蟲害流行嚴重的華南地區(qū)搜集不同的甘薯材料，并進行抗蟲評價。該團隊歷經(jīng)三年田間篩選，獲得了兩份甘薯小象甲高抗種質(zhì)。進一步，研究利用抗感種質(zhì)構(gòu)建F1遺傳群體，克服控制條件下抗蟲表型難檢測、不穩(wěn)定的困難，建立穩(wěn)定的甘薯小象甲抗蟲可控評價體系，最終定位并克隆了兩個甘薯小象甲抗性關(guān)鍵基因SPWR1（Sweet Potato Weevil Resistance 1）和SPWR2。該研究克服了甘薯遺傳轉(zhuǎn)化操作難、轉(zhuǎn)化率低、周期長的問題，利用甘薯自身快速增生能力，配合根癌農(nóng)桿菌（非發(fā)根農(nóng)桿菌）定向注射手段，開發(fā)了高效穩(wěn)定的新型甘薯遺傳轉(zhuǎn)化方法。大量的甘薯遺傳材料證明SPWR1和SPWR2均正向調(diào)控甘薯小象甲抗性。多種生理生化實驗表明甘薯小象甲侵害可誘導SPWR1編碼的WRKY轉(zhuǎn)錄因子特異結(jié)合抗性等位基因SPWR2啟動子的W-box元件，從而激活后者的基因表達；而SPWR2編碼的蛋白是甘薯奎尼酸合成途徑的關(guān)鍵酶，進一步啟動了下游奎尼酸衍生物的生物合成，以此抵御甘薯小象甲侵害。進一步的昆蟲理化實驗證明，攜帶有1-羥基-奎尼酸基團的衍生化合物均表現(xiàn)出對甘薯小象甲腸道消化酶和活動的抑制活性。
目前，農(nóng)業(yè)上尚無小象甲甘薯抗性品種培育。該研究創(chuàng)制的種質(zhì)在顯著提高抗性的同時并未降低品種原有產(chǎn)量和品質(zhì)，推進了甘薯小象甲抗性種質(zhì)開發(fā)利用的研究。研究顯示，奎尼酸及其衍生物在甘薯的內(nèi)源濃度下不具有對人體的藥理毒性，且在自然環(huán)境中不易殘留，同時，含有高水平奎尼酸的天然抗蟲變異品種抗蟲性強大，展示出有潛力的、兼具環(huán)境友好型和資源節(jié)約型的農(nóng)業(yè)抗蟲方案。該研究不僅首次克隆了甘薯天敵害蟲的天然抗性基因，而且揭示了其下游天然抗蟲物質(zhì)的調(diào)控機理，為甘薯小象甲田間防治手段提供了新方向和新思路，對推進高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)多抗的甘薯分子育種，促進特色高值生態(tài)農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和成果轉(zhuǎn)化，帶動甘薯產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展和農(nóng)民增產(chǎn)增收，具有重要意義。
近日，相關(guān)研究成果作為封面故事發(fā)表在《自然-植物》（Nature Plants）上。研究工作得到國家自然科學基金-廣東省聯(lián)合基金、廣東省特支計劃科技創(chuàng)新青年拔尖人才等的支持。廣東海洋大學科研人員參與研究。
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