植物化學抗蟲性的遺傳學研究進展

第36卷第5期2000年9月林業(yè)科學SCIENTIASILVAESINICAEVol36,No5Sep.,2000收稿日期:19990507?；痦椖?引進國際先進農(nóng)業(yè)科學技術項目(948:楊樹抗病蟲害育種新技術引進(96424。植物化學抗蟲性的遺傳學研究進展房建軍韓一凡(中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所北京100091摘要:植物產(chǎn)生的特異次生代謝產(chǎn)物是植物抗蟲的化學基礎,本文綜述了近幾十年來與植物抗蟲有關化學物質(zhì)的遺傳學研究的結果。同其它植物性狀一樣,植物次生代謝產(chǎn)物的變異也是受遺傳控制的;由于次生代謝物的產(chǎn)生是整個合成途徑中大量酶協(xié)同作用的結果,因此大多表現(xiàn)為數(shù)量性狀,受多基因控制;次生代謝由主代謝分支而來,必然受到主代謝的控制,其變異的幅度是有限的;某種化學物質(zhì)只對特定的昆蟲種或亞種起作用,表現(xiàn)為化學抗性的專一性;近幾年生物技術和分子數(shù)量遺傳的發(fā)展為數(shù)量性狀的研究提供了新的契機,一些農(nóng)作物的抗蟲性狀數(shù)量基因定位工作也得已開展。文中分析了數(shù)量性狀基因定位的長處,以典型實例說明了數(shù)量性狀基因定位技術對以化學物質(zhì)介導的植物抗蟲性的研究進展。關鍵詞:遺傳,植物次生代謝產(chǎn)物,抗蟲,數(shù)量性狀定位GENETICSOFSECONDARYMETABOLITESANDPESTRESISTANCEOFPLANTFangJianjunHanYifan(TheResearchinstituteofForestry,CAFBeijing100091Abstract:Theplantsecondarymetabolitescontributetotheplantdefensesbases,sothegeneticresultonthesecondarymetabolitesofrecentdecadesissummarizedinthepaper.Asothertraits,thevariationofplantsecondarymetabolitesisundergeneticcontroltoo.Inmostcase,theproductionofsecondarycompoundistheresultofthecoordinatedactionofamultitudeofenzymesalongapathway,sothephenotypeofcompoundsshowquantitativefashionandundermultigenicorpolygeniccontrol.Becauseoftheinevitablelinkagesbetweenprimarymetabolismandsecondary,therearelimitsonchemicalvariability.Certainkindofcompoundiseffectivetocertaininsectspeciesevensubspeciesonly,sothechemicalinsectresistancemeansspecificresistanceandiscomplicated.Byrecentadvancesinmoleculargeneticsandbiotechnology,thedevelopmentofquantitativegeneticsandinsectresistancebreedinggotnewadvance.Asmostofthephytochemicalcharactersareinheritedinquantitativefashionandregulatedbypolygenes,byusingthequantitativetraitloci(QTLstechnique,theprogressaboutthephytochemicalmediatedinsectresistanceweremade,thedetailsaregivenbyIllustratingwithmaincrops.Keywords:Genetics,Secondarymetabolites,Pestresistance,Quantitativetraitloci植物在長期的進化過程中已經(jīng)形成了一定抵抗不良環(huán)境的能力,其中抵抗昆蟲破壞的能力被稱之為抗蟲性?？瓜x性這一性狀有的屬質(zhì)量性狀,有的屬數(shù)量性狀,已有很多專著加以論述(Smith,1989;Dhan,1986。植物之所以抗蟲,有其物質(zhì)基礎。植物抗蟲性的基礎歸為生物化學基礎和形態(tài)學基礎兩大類。其中植物的生物化學特性是抗蟲性的一類重要基礎,因為它不但直接影響昆蟲的食物營養(yǎng)與可消化性、昆蟲取食定向性、棲居和產(chǎn)卵,還間接影響其它特征。Fraenkel(1959就提出植物抗蟲性不是植物的基本營養(yǎng)差異造成的,植物對昆蟲的抗性是基于植物組織內(nèi)存在的特異次生物質(zhì)。Kennedy(1965對這一理論進行了修正,認為營養(yǎng)成分也是決定昆蟲食性的一種因素。早在1951年,Painter的重要著作InsectResistanceinCropPlant中就記述了Roach在1937年就有了對蘋果綿蚜(Eriosmalanigerum不同感蟲性蘋果品種化學分析的初步嘗試。由于40年代化學殺蟲劑的出現(xiàn),植物抗蟲性的工作受到擱置。70~80年代,對植物次生代謝物的研究成為昆蟲化學生態(tài)的研究重點。較重要的研究在主要的農(nóng)作物上,如玉米(Zeamays中配基2,4二羥基7甲氧基2H1,4苯并惡唑啉3酮(2,4dihydroxy7methoxy2H1,4benzoxazin3(4Hone,DIMBOA,俗稱丁布是第一代歐洲玉米螟(Ostrinianubilalis幼蟲的主要忌避劑和取食抑制劑(Klunetal.,1967。棉子酚(gossypol是一些棉花害蟲例如豆芫菁(Epicautaspp.的抑制因素(AbouDonia,1989。歐洲油菜(Brassicanapus中芥子油苷(glucosinolates與蘿卜蚜(Lipaphiserysimi產(chǎn)卵力負相關(Malik,1983。馬鈴薯(SolanumSpp.中的生物堿(alkaloids對馬鈴薯甲蟲(Leptinotarsadecemlineata和蠶豆微葉蟬(Empoascafabae有抗性(Harborne,1988;Sanford,1990。山核桃(Caryaspp.中的胡桃酮(juglone是波紋棘脛小蠹(Scolytusmultistriatus的忌避劑(Gilbert,1967。Harborne(1982綜合報道了已明確其化學結構的植物次生物質(zhì)超過12000種,以生物堿、萜類和黃酮類物質(zhì)為主。1植物次生代謝產(chǎn)物的種內(nèi)變異是受遺傳控制的半個多世紀以來,很多研究者致力于植物次生代謝產(chǎn)物的遺傳學研究,得出一些有價值的成果。但總起來講,這種研究報道較少,且主要是以重要的經(jīng)濟作物為研究對象。實際上,遺傳學產(chǎn)生以前,植物化學變化的遺傳特性就已被人們認識到。盡管孟德爾可能沒有意識到構成花色的植物化學基礎,但他在植物遺傳學的開創(chuàng)性研究中已經(jīng)應用了這一點。眾所周知,對于豌豆(Pisumsativum,花色的遺傳方式是以孟德爾方式遺傳的,如紅花豌豆與白花豌豆雜交,按分離規(guī)律,子代中產(chǎn)生一定比例的幾種個體。直到1978年,Waller和Nowacki才深入研究發(fā)現(xiàn)形成豌豆花色的花色素苷的遺傳方式是顯性遺傳方式。同其它性狀一樣,植物化學性狀也是質(zhì)量性狀或數(shù)量性狀。質(zhì)量性狀通常受到寡基因(少數(shù)主基因控制;數(shù)量性狀受多基因(多個微效基因控制。用基因表達的術語說,在單基因位點,性狀可能是顯性、隱性或加性。早期的研究多注重質(zhì)量性狀,因為相對而言質(zhì)量性狀的研究容易些:數(shù)量性狀雜交產(chǎn)生的子代呈連續(xù)的變異,不容易象質(zhì)量性狀那樣進行歸類;質(zhì)量性狀可一次雜交便可得到結果,數(shù)量性狀則不然,除非這些性狀呈加性遺傳;質(zhì)量性狀不易受環(huán)境影響,對于數(shù)量性狀,微小的環(huán)境影響可能掩蓋了由于遺傳因素帶來的表型差異。通常,只有化學性狀同昆蟲行為有關聯(lián),才能稱得上化學抗蟲性。一個很好的例證是在玉米對歐洲玉米螟的抗性中,化學物質(zhì)變異同抗蟲性的相互關聯(lián)是直接而明確的。早在1957年,人們就曾懷疑玉米對歐洲玉米螟的抗性是由于化學物質(zhì)引起的,很可能是氧肟酸(如:DIMBOA以及它的衍生物。至少一個品系的玉米,氧肟酸濃度是單個顯性基因bx控制的;在另外一個自交系內(nèi),屬數(shù)量遺傳,受到2~5個位點控制(Dunnetal.,1981。依據(jù)變異,氧肟酸的水平受到環(huán)境因素包括光強、溫度、鐵離子和氮濃度等的影響。用人工食物混合植物組織進行蟲試,氧肟酸的前體MBOA(6甲氧基苯并惡唑啉酮的濃度不但與幼蟲死亡率有關,還能減少產(chǎn)卵力(Niemeyer,1988。在田間試驗,自交系玉米的葉片對一代玉米螟抗性與氧肟酸的水平相關(Klunetal.,1968。在某些品種中,當植物年齡增大,氧肟酸水平下降,抗性隨之下降。研究者著手了一系列高含量DIMBOA的自交系的選擇。棉子酚(gossypol存在于棉花的色素腺內(nèi),人工接蟲證明對幾種昆蟲有毒性,如煙芽夜蛾(Heliothisvirescens和美洲棉鈴蟲(H.zea(Maxwell,1965。Singh(1972發(fā)現(xiàn)花芽中棉酚的含量由起累加作用的多個基因控制,廣義遺傳力h2=0.730.86。White(1982認為棉酚、縮合單寧、黃酮花色素甙類均由起累加作用的基因所控制。另一個典型的例子是番茄中存在的次生代謝產(chǎn)物,詳見下文。表1列出遠未詳盡的植物次生代謝物的簡單的遺傳方式匯編(Berenbaumetal.,1992。生物堿產(chǎn)生的遺傳特點可看作典型的次生代謝的基因表達方式。如在羽扇豆屬(Lupinus中,至少18個基因位點暫定為可影響某特定的生物堿產(chǎn)生,表現(xiàn)為生物堿的有或無。在L.albus中兩個位點決定合成的減少。而L.primus中可減少90%,L.tertius可減少98%。而在煙草中生物堿的產(chǎn)生卻不同。高濃度生物堿的產(chǎn)生是受隱性基因控制的(Walleretal.,1978。由此可見,植物次生代謝物的產(chǎn)生具很強的種屬特異性,即使是同一物質(zhì),其遺傳方式也隨植物種、品種的不同而不同。其實,真正符合孟德爾方式遺傳的植物次生代謝物,與其說是規(guī)律不如說是例外。次生代謝物產(chǎn)生是整個合成途徑中大量酶協(xié)同作用的結果。參與合成的所有基因必須在整個路徑中協(xié)同作用才能得到產(chǎn)物。而且合成體系之外的酶本身可能對次生代謝的表型產(chǎn)生重要影響;基因表達產(chǎn)物涉及到酶的結合、轉運、在貯藏器官內(nèi)積累等等,都可能造成次生代謝產(chǎn)物在可觀測到的數(shù)量上的變化。鑒于單基因經(jīng)常只表明某產(chǎn)物的有或無,而數(shù)量性狀經(jīng)常反映多個基因的共同作用,因此此類研究更頃向于數(shù)量遺傳研究方法。遺傳力是對表型中遺傳分量的估計,廣義遺傳力包括所有遺傳因素,包括加性的和非加性的(顯性的和上位的效應,而狹義遺傳力是只對加性效應影響的估計。表2列出了一些化合93第5期房建軍等:植物化學抗蟲性的遺傳學研究進展94林業(yè)科學36卷物的遺傳力(Berenbaum,1992;Orians,1996;NicholsOrians,1993;Henson,1984;Singh,1972,盡管遺傳分量可從0~1范圍內(nèi)變化,許多化合物變異水平已超過50%,表明遺傳因素在次生代謝表型上的重大影響。表1一些次生代謝產(chǎn)物的遺傳方式Tab.1Geneticpatternsofinheritanceofsecondarycompounds化合物Compound基因Gene表達Expression植物屬Genus丁布DIMBOAtx主基因部分顯性Majorpartiallydominant玉蜀黍屬Zea丁布DIMBOA5位點5loci數(shù)量Quantitative玉蜀黍屬Zea葫蘆素Cucurbitacinsbi顯性Dominant南瓜屬Cucurbita生氰糖甙Cyanoglucosideac,li顯性Dominant車軸草屬Trifolium單萜MonoterpenesC,A,R,E,lm顯性Dominant薄荷屬Mentha單萜Monoterpenest1,t2顯性Dominant天竺葵屬PelargoniumPhenylpropanoidsD,E顯性Dominant紫蘇屬Perilla植物凝集素LectinsP,B顯性Dominant菜豆屬Phaseolus十三烷酮Tridecanone3位點3loci數(shù)量Quantitative番茄屬LycopersiconBisaboloids3位點3loci不完全顯性Incompletedominant母菊屬Mstricaria蜀黍氰苷Dhurrin1位點1loci不完全顯性Incompletedominant蜀黍屬SorghumRaimondal1位點1loci顯性Dominant棉屬Gossypium生物堿Alkaloids2位點2loci顯性,加性Dominantandadditive煙草屬Nicotiana萜烯Terpenes8位點8loci顯性Dominant薄荷屬Mentha表2一些次生代謝產(chǎn)物的數(shù)量遺傳參數(shù)Tab.2Quantitativegeneticsofsecondarycompondproduction化合物Compound遺傳力!Heritability植物屬名Genus黃酮甙Flavoneglycoside0.80c玉蜀黍屬Zea棉酚Gossypol0.730.86c棉屬Gossypium蒎烯Alphapinene0a松屬Pinus蒎烯Betapinene0a松屬Pinus3蒈烯3carene>1.00a松屬Pinus香葉烯Myrcene0.44a松屬Pinus萜二烯1,8Limonene0.36a松屬Pinus酚Phenolics0.77-0.91李屬Prunus吲哚生物堿Indolealkaloids0.70b草蘆屬Phalaris生物堿Alkaloids0.19-0.70c草蘆屬Phalaris單寧Tannins0.66兵豆屬Lens蘆竹堿Gramine0.72a草蘆屬Phalaris大麥芽堿Hordenine0.53a草蘆屬Phalaris蠶豆嘧啶葡糖苷Vicine0.45野豌豆屬Vicia康蠶豆辛Convicine0.66野豌豆屬Vicia單寧Tannins0.48-0.97c菜豆屬Phaseolus呋喃香豆素Furanocoumarins0.08-0.91b防風屬Pastinaca吡咯雙烷類生物堿Pyrrolizidinealkaloids0.52-1.00b千果光屬Senecio2?cinnamoylsalicortin0.41c,0.59b柳屬Salixsalicortin0.24c,0.20b柳屬Salix!:a同胞分析得出的狹義遺傳力,b親子代分析得出的狹義遺傳力,c廣義遺傳力。a:Narrowsensefromsibanalysis.b:Narrowsensefromparentoffspringanalysis,c:Broadsense.實際上,植物經(jīng)誘導產(chǎn)生的化學抗性并未被人們很好認識,上述化學物質(zhì)的測定均是組成型物質(zhì)的含量。很多文獻記載了植食動物對某些特定化合物的誘導作用(Karbanetal.,1989。如表3中列出了一些誘導產(chǎn)生的化學物質(zhì)。在對歐洲防風(Pastinacasativa中,這種誘導性的遺傳基礎已被證實。Zangerl和Berenbaum(1990發(fā)現(xiàn)兩群體葉片中組成型與誘導型的呋喃香豆素水平的遺傳力差異很大。表3一些經(jīng)植食動物誘導產(chǎn)生的次生代謝物質(zhì)Tab.3Thesecondarycompoundsinducedbyherbivory化合物Compound植物屬名Genus文獻References蛋白酶抑制劑Proteinaseinhibitor番茄屬LycopersiconGreen,etal.,1972芥子油苷Glucosinolate蕓苔屬BrassicaLammerinketal.,1984葫蘆素Cucurbitacin南瓜屬CucurbitaTallamy,1985生物堿Alkaloid煙草屬NicotianaBaldwin,1988呋喃香豆素Furanocoumarin防風屬PastinacaZangerl,1990酚Phenolic樺木屬BetulaHaukiojaetal.,1985酚甙Phenolicglycosides楊屬PopulusClausenetal.,1989人們很早便想到測定抗性材料中的化學成分,找到對昆蟲起毒負作用的物質(zhì),但很多次生代謝產(chǎn)物不僅含量少,且化學性質(zhì)不穩(wěn)定。在化學測定的實施中,要經(jīng)過繁雜的分離、提純過程,這樣往往造成測定的結果與活體植物相差甚遠。如早期認為玉米抗一代歐洲玉米螟與MBOA(6甲氧基苯并惡唑啉酮有關,后來才證實它是丁布(DIMBOA的分解產(chǎn)物,而真正起作用的丁布是不穩(wěn)定的化學物質(zhì),鑒定工作十分復雜,無法應用于實踐(Klun,1967。在楊柳科植物酚甙類物質(zhì)的研究中也遇到類似的情況(Bryant,1987;Lindroth,1997,本來完整的酚甙salicortin,tremulacin才對昆蟲有作用,但它們本身易于分解,尤其是在水的環(huán)境中更使分解加速,早期的測定通過復雜的前處理,測定到的物質(zhì)均為其分解產(chǎn)物水楊甙、兒茶酚等,故不能說明問題。由于基因的多效性、連鎖或上位效應,化學特性同昆蟲行為的表型關系可能會隱藏真正的抗性機制。例如:葫蘆素是葫蘆科等一些植物中產(chǎn)生的一種非?？嗟娜祁惢衔?在黃瓜(Cucumissativa中,苦味的產(chǎn)生受到主基因bi的控制,盡管苦味的程度與葫蘆素C的濃度密切相關,DaCosta(1971等報導苦味與對二斑葉螨(Tetranychusurticae的抗性有關。對抗性的選擇可引起葫蘆素含量的顯著上升。但后來的報導證實bi基因與植物受傷害的指標相關,但與感蟲性和產(chǎn)卵不相關。作者認為bi基因可能還與未知的基因連鎖(DePonti,1980。既然很多實例說明次生代謝產(chǎn)物的確存在可遺傳的變異,這些次生代謝產(chǎn)物對昆蟲又有負作用,昆蟲又不能完全適應這些物質(zhì),為什么以化學特性為基礎的研究報道并不是非常多呢?因為次生代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生受到諸多限制。首先,次生代謝是從主代謝分支而來,多種途徑與主代謝縱橫交錯,有些物質(zhì)本身對維持生命又非必需,必然會受到主代謝的控制。一條合成途徑的變化必然會影響另一條途徑。如苯丙氨酸解氨酶(PAL,它不僅是合成黃酮、木質(zhì)素、水楊酸等的中間酶,還在芳香族氨基酸代謝中起重要作用,成為連接主次代謝的紐帶(Bennett,1994,一條途徑產(chǎn)生變化,必然帶動其它途徑。其次,多種物質(zhì)來源于一個共同的前體,存在竟爭底物的現(xiàn)象。如苯丙氨酸同時是類黃黃酮、花色素苷、木質(zhì)素、香豆素、水楊酸、兒茶酚、水楊醇、植物抗毒素的前體,一種產(chǎn)物增多另一種勢必會減少。第3,還有能量的限制,如在煙草中,選擇高產(chǎn),則生物堿含量低;選擇高生物堿,而產(chǎn)量下降(Matzingeretal.,1972。第4,植物次生代謝產(chǎn)物中的一部分是植物生命活動所不需要的,甚至是有害的。自毒作用是次生代謝產(chǎn)物數(shù)量上的一個潛在束縛。然而,植物本身也有一些機制來減少自毒作用的危險,其最主要的機制可能是用于貯藏這些有毒物質(zhì)的特異的細胞、組織和器官。這些貯藏結構包括腺毛、樹脂道、乳汁管等。這些結構的大小、數(shù)量受到發(fā)育結段和構建自身的碳水化合物的限制。因此,決定結構本身大小和數(shù)量的遺傳因素本身就是一種限制。例如:萜只限于樹脂道和腺毛中,棉子酚主要分布在棉酚色素腺中,這也許是植物自身保護的一種機制,最少量的化合物可被隔離,不致于自身受害。這些組織或器官的大小、數(shù)量受遺傳因素控制,Mehlenbacher(1984發(fā)現(xiàn)番茄雜種中A型腺毛和B型腺毛密度的遺傳力為h2=032,022。歐洲防風(Pastinacasativa的呋喃香豆素只限于種子油管(oiltubes中,種子內(nèi)油管的數(shù)量與大小的遺傳力為h2=0494,0498,5種呋喃香豆素的含量與器官的大小成正比(Zangerletal.,1989。2植物化學抗性的復雜性化學因素對昆蟲可起的作用主要有二:一是引起對昆蟲的忌避或抑制其取食(排趨作用或拒蟲作用,二是對昆蟲生長或繁殖產(chǎn)生不利影響或促其死亡(抗生作用。這些化學因素包括:存在的各種次生物質(zhì),引起昆蟲的不良感覺反應,或中毒;昆蟲所需的營養(yǎng)成分缺乏或含量過低;某些成分不利于昆蟲對食物的消化利用,例如對昆蟲消化道蛋白酶活性有抑制作用的抗酶性物質(zhì)。植物含有某些能避免或減輕昆蟲或其他動物為害的化學因素,是在長期演化歷程中形成的,昆蟲種類繁多,適應性強,因此,95第5期房建軍等:植物化學抗蟲性的遺傳學研究進展96林業(yè)科學36卷一類或一種化學防御因素,只能對特定種類的昆蟲有效(周明,1991。芥子油苷(glucosinolates對薯卜蚜(Lipaphiserysimi有抗性,而油菜蘭葉甲(Psylliodeschrysocephala卻只取食含有芥子油苷的油菜(Bartlet,1992;生氰苷(cyanogenic對木薯根蛀蟲(Cyrtomenusbergi有抗性,但亞熱帶粘蟲(Spodopteraeridania卻取食含生氰苷的植物且生長良好(Brattsen,1983;歐洲赤松(Pinussylvestris的蒎烯(Alphapinene對縱坑切梢小蠹(Blastophaguspiniperda有忌避作用,但對南方松小蠹(Dendroctonusfrontalis卻有引誘作用(Payne,1970;棉酚能阻止豆芫菁(Epicautaspp.取食,但對棉鈴象(Anthonomusgrandis則有刺激取食作用。Lindroth等在1985~1993年所作的研究更耐人尋味,他們發(fā)現(xiàn)一種北美黑條黃鳳蝶的兩個亞種(Papilioglaucuscanadensis和Papilioglaucusglaucus對美洲山楊(Populustremuloides的取食情況差異很大,前者可進食樹葉生長良好,后者卻生長不良,進一步蟲試表明:酚甙salicortin和tremulacin對Papilioglaucuscanadensis的存活、生長、食物消化無影響,而對于Papilioglaucusglaucus的這些指標有影響。由此看來,植物的化學抗蟲性是非常復雜的,某特定的物質(zhì)只對特定的蟲種(亞種起作用,可見抗性的專一性與復雜性(Lindroth1988;Scriber1993。3數(shù)量基因定位技術對化學抗蟲性的發(fā)展常規(guī)育種的理論基礎是數(shù)量遺傳學,傳統(tǒng)的數(shù)量遺傳學是把控制數(shù)量性狀的多個基因作為一個整體進行研究。由于多基因作用和環(huán)境因子的影響,許多重要的農(nóng)作物性狀都表現(xiàn)連續(xù)的變異。控制這些性狀的基因的作用大小和方式各不同且相互作用。過去,數(shù)量遺傳學家用生物統(tǒng)計的方法計算后代平均值以估算控制這些數(shù)量性狀的基因作用是一種黑箱式的研究。這一方法的局限性在于沒有得到各基因分離的效應值而只是得到它們的效應的和,并受到一系列統(tǒng)計模型的約束。隨著不同植物RFLP圖譜的建立,數(shù)量性狀基因定位(QuantitativeTraitLocus,QTL在遺傳學研究的應用也日益增多,許多重要作物、林木都已進行了圖譜構建。給一度處于瓶頸的數(shù)量遺傳學研究注入了活力。數(shù)量性狀基因位點(QTL作圖是對復雜抗蟲性狀進行研究的有效方法。QTL作圖可以描述特異抗蟲基因位點的作用,估計具有部分抗性的基因位點的?；?分析抗蟲基因與植物發(fā)育以及環(huán)境之間的互作,以及抗蟲數(shù)量基因與抗蟲質(zhì)量性狀基因位點之間的關系等。在抗蟲品種培養(yǎng)中,為使某品種增強抗蟲性,常用的方法是以此品種作輪回親本,以具備抗蟲基因的另一品種為基因供體,多次回交,從而使輪回親本的基因中不僅具有優(yōu)良的所需栽培性狀,而且具抗蟲基因。然而在回交育種過程中,由于基因間的連鎖,一些不利的基因也會隨之引入,即所謂基因累贅(genedrag。經(jīng)典遺傳育種研究無法鑒別出單個數(shù)量基因以及與之有關的染色體片段,更難確定數(shù)量基因座位在染色體上的位置及與其它基因的關系。采用DNA分子標記的數(shù)量基因定位,將影響數(shù)量性狀的多個基因找出,將其定位于染色體上,并最終確定與之有關的DNA序列。然后雜交或回交將不同基因轉到同一品種中。近幾年,分子標記和QTL技術也已應用于抗蟲性狀研究。玉米對歐洲玉米螟的抗性、水稻對白背飛虱(Sogatellafurcifera的抗性、馬鈴薯對馬鈴薯甲蟲(Leptinotarsadecemlineata的抗性、大豆抗棉鈴蟲(Helicoverpazea等以樹木為材料進行抗蟲性狀數(shù)量基因定位的研究尚無報道(Schon,1993;Ishii,1994;Bonierbale,1994;1996;Rector,1996。由于QTL的引入,對于由于化學物質(zhì)介導的抗蟲性也有了新的認識。人們通常認為番茄(Lycopersiconesculentum的腺毛狀體(glandulartrichomes,以下簡稱腺毛與抗植食動物有關,如二斑葉螨(Tetranychusurticae的生殖力與VI型腺毛的密度負相關(Stoneretal.,1968,通過對蚜蟲、粉虱、螨、葉甲的糾纏和阻撓,腺毛的粘滲出物不言而喻地與抗性有關,Williams(1980年鑒定了VI型腺毛中的2十三烷酮(2tridecanone,2TD,它是番茄對幾種昆蟲的抗生性物質(zhì)。野生番茄(Lycopersiconhirsutum葉片的氯仿提取物對兩個目的一些昆蟲的產(chǎn)生毒性(鱗翅目:煙草天蛾Manducasexta,玉米穗蟲Heliothiszea,同翅目:番茄蠹蛾Keiferialycopersicella,扁豆蚜Aphiscraccivora,棉桃蚜Myzuspersicae,當把葉表面的腺毛滲出物去除,毒性大大下降(Kenndyetal.,1979。最后直接生物測定證實2TD對玉米穗蟲和馬鈴薯甲蟲有毒性(Kenndyetal.,1983。Zamir(1984報道野生番茄與2十三烷酮水平有關的5個標記位點至少在4個不同的染色體上。Nienhuis(1987通過L.hirsutum與L.esculentum雜交,發(fā)現(xiàn)2TD的表達至少3個基因起作用。Maliepaard.等1995年進行QTLs基因定位,發(fā)現(xiàn)F2代兩個與溫室粉虱(Trialeurodesvaporaiorum產(chǎn)卵率有關的位點Tv1和Tv2分別在1號第5期房建軍等:植物化學抗蟲性的遺傳學研究進展97和12號染色體上。影響VI型腺毛密度的位點(TriVI1定位于1號染色體上。一種葉上長有腺毛的野生馬鈴薯(Solanumberthaultii對研究馬鈴薯抗蟲性非常有用。Radcliffe(1968發(fā)現(xiàn)此種能抗蚜蟲和葉蟬。Tingey(1982把不同馬鈴薯受害水平的差異歸因于腺毛的種類和著生密度。Bonierbale(1994等將此野生種與普通種雜交,然后培養(yǎng)回交后代,用RFLPs進行QTLs基因定位,使用同一材料把腺毛密度、多酚氧化酶、型和B型腺毛產(chǎn)生的蔗糖酯、A酶促褐變應、馬鈴薯甲蟲活體檢測食物消耗、產(chǎn)卵率、不同日照長度下發(fā)莖率等進行定位。力求深入了解抗蟲機制。結果表明在回交后代5號染色體上TG379區(qū)域B型腺毛密度、蔗糖酯水平等性狀與食葉量有關,而1號染色體Tv1區(qū)域與產(chǎn)卵率有關。QTL定位也作出與一般認識近乎相反的結論。在野生番茄上還長有一種IV型腺毛,IV型腺毛分泌的葡酯(glucoseester與馬鈴薯蚜(Macrosiphumeuphorbiae抗性有關,據(jù)長期觀察,抗蟲性與IV型腺毛的密度正相關。在Maliepaard(1995上述定位工作中,影響IV型腺毛密度的兩位點(TriIV1和TriIV2分別定位于5、號染色體上。這一結論不支持IV型腺毛密度與抗蟲有關的結論。9利用QTL圖譜研究抗蟲性狀是對傳統(tǒng)數(shù)量遺傳學研究方法的一大突破,修正了傳統(tǒng)數(shù)量遺傳學的一些不恰當?shù)募僬f和結論,促進了對植物的抗蟲性的深入了解。用分子標記鑒定和定位數(shù)量性狀在許多植物中很有效,高密度的分子連鎖圖和作圖技術可確定多基因控制的復雜數(shù)量性狀中單個基因的作用,因此對于重要的數(shù)量性狀來說,分子標記輔助的選擇是可行的。與DNA分子標記相關的選擇可提高育種計劃的效率,減少育種所需時間。分子標記有關的技術不但可加速重要基因從野生種向良種的引入,還具有增加育種準確性和效率。然而,只有當分子和生化遺傳學同傳統(tǒng)的育種計劃相結合時許多重要數(shù)量性狀的改良才能成為現(xiàn)實。歐洲和北美對楊柳科植物體內(nèi)的次生物質(zhì)進行了比較深入的研究,研究表明,楊柳科植物中的特異化學物質(zhì)是酚甙類化學物質(zhì)。酚甙在整個科中分布廣泛,且在種類和含量上具備差異顯著的多態(tài)性,現(xiàn)已鑒定約20種。在酚甙類物質(zhì)中以salicortin,tremulacin為多。已有報道酚甙對鱗翅目和鞘翅目一些昆蟲的生長發(fā)育有負作用:鱗翅目大楊卷葉蛾(Choristoneuraconflictana,舞毒蛾(Lymantriidaedispar,鞘翅目黑楊葉甲(Chrysomelascripta和歐山楊葉甲(C.tremulae等(Bryant,1987;Lindroth,1990;Barbara,1992;Picard,1994。多年的研究表明,對昆蟲有作用的物質(zhì)是完整的甙,而非其分解產(chǎn)物;以往國內(nèi)對酚類物質(zhì)的研究均以酚甙的分解產(chǎn)物為測定對象,如:沒食子酸、兒茶酸、鄰苯二酚、香豆酸、阿魏酸等,故難以闡明問題。為深入研究楊樹的抗蟲機理,我們采用數(shù)量基因定位(QTL的方式,力圖將楊樹的抗蟲性狀和酚甙類次生代謝產(chǎn)物的種類與含量定位于遺傳圖譜上,這對于研究植物次生代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生及與昆蟲的關系都將會有深遠的意義。林科院林研所楊樹抗蟲課題組經(jīng)過十多年的努力,通過對天牛反應不同的美洲黑楊進行種內(nèi)雜交,從后代中均選育出高抗的無性系,表型較其親本和其它楊樹明顯抗云斑天牛(Batocerahorsfieldi,在大田條件進行抗蟲篩選的基礎上,經(jīng)過人工接蟲也取得較好效果(韓一凡,1997;卞學瑜,1995;胡建軍,1998;孫麗艷,1995。所用材料的圖譜遺傳圖譜已于1998年構建,其具體情況是:包括198個AFLP標記的19個的連鎖群,圖譜總距為2927cM(Wu,2000,現(xiàn)正進行化學物質(zhì)與抗蟲性定位工作?？傊?以分子標記、L基因定位為先導的數(shù)量性狀的鑒定和定位技術,對于引入抗性基因,加速Q(mào)T育種進程,增加育種的準確性,提高育種效率,都有其獨到的作用。它是當今生命科學的新成果,代表著以后的發(fā)展趨勢。參~102F.G.馬克斯維爾等著.翟鳳林等譯.植物抗蟲育種.北京:農(nóng)業(yè)出版社,1985韓一凡.美洲黑楊南抗1號、號新品種選育林業(yè)科技開發(fā),1997,3:18~202胡建軍,趙自成,苗世龍等.楊樹人工接蟲方法的研究.林業(yè)科學研究,1998,11(6:574~580欽俊德著.昆蟲與植物的關系.北京科學出版社,1987孫麗艷,韓一凡.對云斑天牛有不同抗性的楊樹品種中化學物質(zhì)的分析.林業(yè)科學,1995,31(4:338~345周明主編作物抗蟲育種原理及應用.北京:北京農(nóng)業(yè)大學出版社,1991AbouDoniaMB.Gossypol.In.CheekePRed.Toxicantsofplantorigin,volumeIV,phenolics.1989,BocaRaton:CRCPress,2~22考文獻卞學瑜,韓一凡,楊明珍,淡克德.不同楊樹無性系對云斑天?？剐圆町悪C理的研究.楊樹研究進展.北京:中國林業(yè)出版社,1995,9798林業(yè)科學36卷BaldwinIT.Shorttermdamageinducedincreaseintobaccoalkaloidsprotectplant.Oecologia(Berlin,1988,75:367~370BarbaraRBetal.ClonalandleafagevariationinPopulusphenolicglycosides;implicationsforhostselectionbyChrysomelascripta(Coleoptera:Chrysomelidae.EnvironmentalEntomology1993:397~403BartletE,WilliamsIH,BlightMM,HickAJ.ResponseoftheoilseedrapepestsCeutorhynchusassimilisandPsylliodeschrysocephalatoamixtureofisothiocyanares.In:MenkenSBJ,VisserJH,HarrewijnPeds.Proceedingsofthe8thinternationalsymposium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