中国农业科学院植保所揭示基因型差异消除玉米生长与其对玉米螟防御的动态平衡

　　近日，中国农业科学院植物保护研究所粮食作物害虫监测与控制创新团队在国际知名期刊《Plant, Cell & Environment》发表了题为“Genotypic variation in field-grown maize eliminates trade-offs between resistance, tolerance and growth in response to high pressure from the Asian corn borer”的论文，揭示了玉米的基因型差异会消减玉米生长与其对玉米螟防御的动态平衡。

 

　　植物必须有效抵御病虫害胁迫才能在自然界生存，因此，植物在面对病虫害胁迫时，会分配更多的资源用于抵御病虫害的进攻，但防御通常伴随着生长和产量的降低，二者间被认为存在着“此消彼长”的平衡（defense-growth trade-offs）关系。植物生长与防御之间的动态平衡会受到植物基因型变异、病虫为害程度以及环境等多种因素的影响。玉米作为一种驯化历史悠久的重要的粮食作物，其不同自交系之间存在着广泛的遗传变异，那么在田间自然条件下不同玉米自交系间生长与抗虫间的关系如何，以及其调控机制尚不清楚。研究首先基于153个美国解禁玉米自交系对亚洲玉米螟抗性大田鉴定结果筛选了5个心叶期抗螟和5个感螟自交系作为研究材料，对田间自然条件下感抗玉米自交系在玉米螟取食诱导后的抗螟性、耐螟性、农艺形状以及植物激素、防御物质和相关基因进行了测定，系统分析了玉米对玉米螟的组成抗性、诱导抗性、诱导后抗性、耐害性和玉米生长间的关系，并解析了调控几者关系的潜在分子机制。

 

　　研究表明抗虫自交系的被诱导能力比感虫自交系弱，但在诱导后的整体抗性显著高于感虫自交系，说明抗虫玉米在诱导前后都会保持较高的抗性水平。玉米对玉米螟抗性的大小与苯并噁嗪酮类物质（Bxs）含量有关，但与诱导的茉莉酸（JA）或茉莉酸-异亮氨酸轭合物（JA-Ile）绝对水平无关。通过对玉米螟取食诱导的Bxs含量、基因表达量和抗虫性的相关性分析，我们筛选到了3个与Bxs生物合成相关的转录因子，分别是NAC60、WRKY1和WRKY46。又进一步将3个转录因子在玉米原生质体中过表达，发现NAC60、WRKY1和WRKY46过表达可显著提高玉米JA和水杨酸（SA）的水平，而降低生长素（IAA）的水平，且NAC60和WRKY1正调控Bxs的积累，推测其可能是调节玉米的生长防御权衡的关键转录因子。此外，在10个自交系中未观察到抗虫性、耐害性和生长间的权衡，推测玉米基因型特异性的代谢和基因特征是消除了这种权衡的重要因素。本研究强调了在复杂的田间条件下玉米抗虫和生长存在和谐共存的空间，证明了同时培育抗虫和高产玉米品种的可能性，也为抗虫高产玉米的精准育种提供重要的理论基础和潜在靶标。

 

　　中国农科院植保所郭井菲副研究员为第一作者，中国农科院植保所王振营研究员与中国科学院昆明植物所齐金峰副研究员为论文共同通讯作者。中国农科院植保所张永军研究员、何康来研究员以及作物科学研究所李明顺研究员参与了此项工作。该研究得到国家自然科学基金、国家现代农业产业技术体系、博士后基金等项目的资助。

 

　　原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/pce.14458