浙江大學(xué)農(nóng)學(xué)院揭示一種植物抗蟲新機(jī)制：降低5-羥色胺生物合成提高植物抗性
害蟲是農(nóng)業(yè)和林業(yè)生產(chǎn)的大敵。據(jù)報(bào)道，每年蟲害對(duì)全球作物、牧場(chǎng)和森林造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)2500億美元。在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，蟲害也是造成糧食損失的重要原因。為防治害蟲，農(nóng)民需要使用大量的農(nóng)藥，不但極大地增加了生產(chǎn)成本，而且還會(huì)對(duì)人體健康和環(huán)境安全造成嚴(yán)重危害。因此，培育抗蟲作物品種是控制害蟲危害最為綠色、經(jīng)濟(jì)、有效的辦法。在國(guó)際上，轉(zhuǎn)基因的抗蟲Bt棉花和Bt玉米品種的育成和使用為防治鱗翅目害蟲如棉鈴蟲、玉米螟的危害發(fā)揮了重要作用。然而，由于Bt作物大多只對(duì)鱗翅目害蟲有效，而對(duì)其他重要害蟲如蚜蟲等沒有效果，加之民眾對(duì)轉(zhuǎn)基因食品安全的擔(dān)憂，因此，我國(guó)目前除了Bt棉外，這項(xiàng)技術(shù)尚未在糧食作物生產(chǎn)中加以應(yīng)用。這就迫切需要利用植物自身對(duì)害蟲的抗性來培育抗蟲品種。不過，這種抗蟲品種的選育受到了來自抗蟲種質(zhì)資源缺乏以及抗蟲機(jī)制認(rèn)識(shí)不足的嚴(yán)重制約。
《自然?植物》（Nature Plants，IF=10.3）于2018年5月7日以“Resistance of Rice to Insect Pests Mediated by Suppression of Serotonin Biosynthesis”為題在線發(fā)表了浙江大學(xué)聯(lián)合有關(guān)單位完成的一項(xiàng)研究成果。該項(xiàng)研究以水稻為材料，發(fā)現(xiàn)了水稻與害蟲對(duì)植株體內(nèi)5-羥色胺生物合成的調(diào)控體現(xiàn)了水稻對(duì)害蟲的抗性或感性。在植物體內(nèi)，5-羥色胺和水楊酸的生物合成起自共同的源頭物質(zhì)分支酸；研究人員發(fā)現(xiàn)，兩者的生物合成存在相互負(fù)調(diào)控現(xiàn)象，即水楊酸可以抑制5-羥色胺合成酶基因的表達(dá)從而減少5羥色胺的合成，反之亦然。當(dāng)抗性水稻品種受到害蟲（褐飛虱、二化螟等）為害時(shí)，水稻中合成5-羥色胺的基因CYP71A1轉(zhuǎn)錄不被誘導(dǎo)，從而導(dǎo)致水稻中水楊酸含量升高和5-羥色胺含量降低；而在感蟲品種受到害蟲為害時(shí)，害蟲可促進(jìn)CYP71A1的轉(zhuǎn)錄，從而引起水楊酸含量下降和5-羥色胺含量上升。研究中也證實(shí)，水稻中高含量的5-羥色胺有利于褐飛虱和螟蟲等害蟲的生長(zhǎng)發(fā)育。因此，褐飛虱和水稻之間的“軍備競(jìng)賽”在一定程度上體現(xiàn)在了對(duì)水稻體內(nèi)5-羥色胺生物合成的調(diào)控上。
由于植物中均存在5-羥色胺和水楊酸合成代謝通路，5-羥色胺合成酶基因在不同作物中相對(duì)保守，因此，本項(xiàng)研究成果對(duì)水稻及其它作物的抗蟲育種都具有重要指導(dǎo)意義。在該項(xiàng)研究中，作者還利用最新基因編輯技術(shù)CRISPR/Cas9快速培育出了抗褐飛虱、抗螟蟲的非轉(zhuǎn)基因材料，不但為水稻抗蟲育種提供新的方向，也為采用基因編輯技術(shù)在其他作物中培育抗蟲品種提供了思路（例如，麥類作物抗蚜蟲材料的創(chuàng)制）。
本項(xiàng)研究由浙江大學(xué)農(nóng)學(xué)院/水稻生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室舒慶堯教授（作物所）、婁永根教授（昆蟲所）、葉恭銀教授（昆蟲所）合作，并聯(lián)合嘉興市農(nóng)科院、無錫哈勃生物種業(yè)技術(shù)研究院有限公司、英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)（New Castle University, UK）共同完成。本項(xiàng)目得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、浙江省重大農(nóng)業(yè)（糧食）品種選育專項(xiàng)、國(guó)家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）專項(xiàng)、浙江大學(xué)大北農(nóng)教育基金、浙江大學(xué)水稻及主要經(jīng)濟(jì)作物育種科技聯(lián)盟等項(xiàng)目的資助。浙江大學(xué)博士后蘆海平、博士生羅婷和嘉興市農(nóng)科院富昊偉研究員為共同第一作者，浙江大學(xué)舒慶堯教授、婁永根教授和英國(guó)紐卡斯?fàn)朑atehouse AMR教授為共同通信作者。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41477-018-0152-7
（農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院）
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