[目的]利用化学激发子提高植物抗虫性从而抑制害虫,是目前正在开发的一种新型的害虫绿色防治技术.本研究旨在解析一种化学激发子——多效唑(paclobutrazol,PBZ)提高水稻Oryza savita对稻飞虱抗性的机理,以期为其在害虫防控中的应用打下基础.[方法]用不同浓度PBZ以根吸的方法处理秀水110品种水稻24 h后接入褐飞虱Nilaparvata lugens和白背飞虱Sogatella furcifera初孵若虫,测定接虫后不同时间若虫存活率;用含有5和10 mg/L PBZ或者防御化合物[咖啡酰腐胺、刺苞菊苷和樱桃苷(1和10 mg/L)及芥子酰胍丁胺(0.1和1 mg/L)]的稻飞虱人工饲料饲喂以及用5和20 mg/L PBZ溶液喷施褐飞虱若虫后,测定褐飞虱若虫存活率;5 mg/L PBZ根吸处理水稻、褐飞虱若虫为害和5 mg/L PBZ根吸处理水稻再接褐飞虱若虫后,测定水稻体内水杨酸(salicylic acid,SA)、过氧化氢(hydrogen peroxide,H2O2)和乙烯(ethylene,ET)以及防御化合物芥子酰胍丁胺、咖啡酰腐胺、刺苞菊苷和樱桃苷的含量.[结果]与对照(根吸不含PBZ的营养液的水稻)相比,5 mg/L PBZ根吸处理水稻,接虫后3 d时褐飞虱若虫存活率降低33.3％;当 PBZ浓度达到20 mg/L时,接虫后4 d时褐飞虱若虫全部死亡,但PBZ本身对褐飞虱若虫没有直接的毒杀作用.与对照组相比,5 mg/L PBZ根吸处理24 h后不接褐飞虱为害放置24 h时水稻植株体内SA含量显著上升,5 mg/L PBZ根吸处理水稻24 h再接褐飞虱若虫为害72 h时H2O2含量显著上升,5 mg/L PBZ根吸处理24 h后不接褐飞虱为害放置48-96 h、褐飞虱为害24-72 h及5 mg/L PBZ根吸处理水稻24 h再接褐飞虱若虫为害48-96 hET释放量均显著下降,5 mg/L PBZ根吸处理诱导了水稻植株中咖啡酰腐胺和芥子酰胍丁胺2种酚胺类化合物以及刺苞菊苷和樱桃苷2种黄酮类化合物含量的显著上升.在褐飞虱人工饲料中添加1或10 mg/L的咖啡酰腐胺、芥子酰胍丁胺、刺苞菊苷或樱桃苷,可有效降低褐飞虱若虫存活率.[结论]PBZ是一种有效的化学激发子,可以通过激活水稻的SA和H2O2通路、抑制ET通路,诱导水稻相关防御化合物的合成,提高水稻对褐飞虱的抗性.

[目的]德夸菌素(decoyinine,DCY)是一种新型植物生长调节剂.本研究旨在探究DCY浸种处理对商用水稻品种徐稻10与湘两优900抗褐飞虱Nilaparvata lugens的影响.[方法]利用年龄-龄期两性生命表测定和比较了褐飞虱初孵若虫取食不同浓度[0(清水对照),25,50和100 mg/L]DCY浸种处理的徐稻10和湘两优900植株后的生长发育、成虫繁殖力及种群生命表参数,并模拟其60 d内的种群增长情况.还调查了 100 mg/L DCY浸种处理对褐飞虱雌成虫蜜露分泌量、体重及取食和产卵偏好的影响.[结果]与取食对照稻株相比,褐飞虱初孵若虫取食不同浓度DCY浸种处理的徐稻10植株后,若虫历期显著延长,成虫繁殖力(单雌产卵量)显著下降,种群参数净增殖率R0、内禀增长率rm和周限增长率λ显著降低,平均世代周期T和种群倍增时间DT显著升高;褐飞虱初孵若虫取食不同浓度DCY浸种处理的湘两优900植株后,若虫历期显著缩短,单雌产卵量显著下降,仅平均世代周期T显著升高,其他种群参数无显著差异.在两种水稻上,60 d种群模拟的结果表明3个处理组的种群大小都小于对照组的.取食100 mg/L DCY浸种处理的徐稻10与湘两优900稻株的褐飞虱雌成虫的蜜露分泌量和体重都显著低于取食对照组稻株的.取食和产卵选择试验表明,褐飞虱雌成虫更倾向于在对照稻株上取食和产卵.[结论]DCY浸种处理徐稻10与湘两优900后会提高其对褐飞虱的抗性.

[目的]探究褐飞虱Nilaparvata lugens如何适应抗性水稻品种YHY15,并为研究环状RNA(circular RNA,circRNA)在褐飞虱对抗性水稻适应机制中的作用奠定基础.[方法]利用高通量测序技术鉴定生物型1和生物型Y(能致害抗性水稻YHY15的生物型)褐飞虱的circRNA,并统计其类型和分布.分析生物型1和生物型Y褐飞虱间circRNA表达差异,并对circRNA来源基因进行GO功能注释和KEGG富集分析.[结果]生物型1和生物型Y褐飞虱共鉴定到19个circRNA,分布在9条染色体上,其中17个circRNA由剪接位点之间的外显子构成,2个circRNA由剪接位点之间的所有碱基构成,17个circRNA长度在200～800 bp.生物型Y褐飞虱的circRNA表达丰度与表达量比生物型1褐飞虱的更高.分析结果表明,在生物型1褐飞虱克服抗性水稻YHY15形成新的生物型Y的过程中,在自然选择压力下,circRNA的表达出现变化,推测这种变化影响了褐飞虱新生物型的形成.KEGG分析结果表明,鉴定到的生物型1和生物型Y褐飞虱circRNA来源基因主要富集到自噬相关通路上.[结论]褐飞虱长期取食抗性水稻,导致褐飞虱消化、解毒和代谢能力进化,能降解抗性水稻为抵御褐飞虱而产生的次生代谢物.鉴定到的生物型1和生物型Y褐飞虱的circRNA来源基因与细胞自噬相关,表明褐飞虱通过细胞自噬过程应答抗虫水稻,这种应答反应促进褐飞虱适应抗虫水稻,致害性增强和生物型形成.

[目的]明确转Bt基因抗虫水稻在病虫害胁迫下对Bt蛋白表达量的影响.[方法]以Bt水稻T1C-19(表达Cry1C蛋白)为研究对象,探究褐飞虱、白叶枯病等 6 种水稻常见病虫害胁迫下其体内Bt蛋白的表达量变化.[结果]褐飞虱取食引起T1C-19 水稻叶片中Bt蛋白含量降低,而黑尾叶蝉取食显著降低了T1C-19 水稻叶鞘中的Bt蛋白含量,白叶枯病侵染导致Bt水稻叶鞘中的Bt蛋白含量显著上升.二化螟、水稻普通矮缩病、稻瘟病的胁迫对转基因水稻T1C-19 叶片和叶鞘中的Bt蛋白含量均无显著影响.[结论]病虫害胁迫因种类不同对Bt水稻中Bt蛋白表达量的影响有所不同.这将为Bt水稻的抗虫效果评价提供数据基础,同时为Bt水稻病虫害综合治理提供科学依据.

作物生产常遭受各类虫害威胁.揭示昆虫与寄主之间的互作机制,对害虫的绿色防治具有重要意义.武汉大学何光存团队鉴定了褐飞虱(BPH)唾液蛋白BISP.在易感品种中,BISP靶向OsRLCK185并抑制其介导的基础防御.在携带褐飞虱抗性基因Bph14的水稻(Oryza sativa)品种中,BPH14直接结合BISP并激活寄主的免疫反应,但会抑制水稻的生长.BISP-BPH14与自噬装载受体OsNBR1结合,通过自噬途径降解BISP,下调水稻对BPH的抗性,恢复植株正常生长.该研究鉴定到首个被植物免疫受体感知的昆虫唾液蛋白,揭示了寄主通过感知并调节昆虫效应蛋白水平来平衡水稻抗性与生长发育的分子机制,为培育高产水稻抗虫品种提供了新思路.

Bph14基因是第一个被克隆的水稻抗虫基因,但鲜有Bph14基因对水稻生理方面影响的报道.研究该基因对水稻生理方面的影响有助于全面理解Bph14基因对褐飞虱的抗性机制.将Bph14基因转入水稻栽培品种中,对携带有外源基因的转基因株系通过荧光定量PCR检测乙烯合成和非生物胁迫相关基因的表达,另外,分别用5μmol/L ABA和250 mmol/L NaCl处理转基因水稻株系和相应受体材料,结果表明,与乙烯合成相关的基因OsACO2,OsACS2,OsACS6,O1gP5CS和O5gP5CS的表达量均较转基因受体m5274发生了变化,与干旱、耐盐等非生物胁迫相关的基因CatA、CatB、CatC、RAB16A、LEA3、LIP9、SalT、AdhI等也都不同于在受体m5274中的表达.同时Bph14基因的导入也提高了水稻对ABA的敏感性和对盐胁迫的耐受性,说明Bph14基因在水稻中可能参与调控乙烯合成以及非生物胁迫应答的功能基因的表达.

近年来,大气CO2浓度升高等全球气候变化和转Bt作物非靶标害虫抗虫性等问题备受关注.大气CO2浓度升高直接或间接地影响植食性昆虫,而迄今为止有关大气CO2浓度升高对刺吸式昆虫(同时也是转Bt作物的非靶标害虫)的影响结论不一,且对其刺吸取食行为的影响研究少有报道.本研究利用智能人工气候箱设置CO2浓度,研究大气CO2浓度倍增(800.μL·L-1)对转Bt水稻的非靶标害虫褐飞虱取食行为及其生长发育和繁殖等的影响.结果表明:大气CO2浓度倍增对褐飞虱卵和若虫历期、成虫体质量和寿命,以及4龄和5龄若虫的刺吸取食行为等都具有显著影响,但对其繁殖力影响不显著.与对照CO2浓度(400μL·L-1)相比,倍增CO2浓度处理下褐飞虱的卵和若虫历期及雌成虫寿命分别显著缩短了4.0％、4.2％和6.6％;长翅型成虫比例显著增加了11.6％;初羽化成虫体质量降低,且雌成虫体质量显著降低了2.2％;此外,倍增CO2浓度处理下褐飞虱4龄和5龄若虫口针的刺探效率都显著增加;其中,N4b波的持续时间分别显著延长了60.0％和50.1％,频次分别显著增加了230.0％和155.9％.可见,CO2浓度倍增可通过提高褐飞虱的刺吸取食而促进其生长发育,并缩短其世代历期、提高长翅成虫比例,最终导致大气CO2浓度升高下转Bt水稻的非靶标害虫褐飞虱发生危害严重,并面临其迁飞扩散为害加重的风险.

水稻(Oryza sativa)代谢物在水稻与褐飞虱(Nilaparvata lugens)相互作用中有非常重要的作用.初生代谢物和非挥发性的次生代谢物决定褐飞虱在水稻上的取食及存活,并可能具有直接的抗虫效应;而挥发性次生代谢物主要影响褐飞虱对寄主的定位及选择.本文以代谢物为媒介,描述和分析了水稻与褐飞虱之间的化学关系,旨在从化学物质方面找出二者之间的联系,为进一步深入理解和阐明水稻应对褐飞虱危害而产生的防御机制提供新的思路.

[目的]通过研究转基因水稻对玉米蚜Rhopalosiphum maidis (Fitch)取食行为的影响,分析转基因水稻可能带来的潜在风险.[方法]采用Y-型嗅觉仪测定了玉米蚜对苗期水稻挥发物的行为反应,并利用EPG技术对玉米蚜的取食行为进行了分析.[结果]在转基因水稻和对照之间,玉米蚜选择非转基因水稻较多,但是差异不显著;反应时间则是非转基因水稻大于转基因水稻.而在两个转基因水稻品系(KMD1和KMD2)之间,玉米蚜极显著地选择KMD1.E1波累计持续时间的百分比反映了蚜虫花费在将唾液分泌到韧皮部筛管的时间所占的比例,这一点在KMD2和XS11之间存在显著差异(KMD2＞XS11);而np波累计持续时间的百分比则反映了蚜虫花费在移动和寻找取食位点上的时间所占的比例,这一点在223F-S21和XS134之间存在显著差异(223F-S21＜XS134);玉米蚜在G8-7和XS110上的取食行为没有显著的差异.[结论]2个供试转基因水稻材料(KMD2和223F-S21)有利于玉米蚜的取食.

利用生物信息学方法预测cry1C蛋白的抗原表位区,并命名为△cry1C.优化△cry1C的核苷酸序列并进行人工合成,构建重组表达载体pET28b(+)-△cry1C.在E.coli中诱导表达His6-△cry1C蛋白,纯化后免疫新西兰大白兔,分离、纯化获得cry1C多抗血清.ELISA测定结果表明,抗体效价最高可达1∶512 000.Western Blot分析结果表明,cry1C多克隆抗体能够与cry1C转基因抗虫水稻蛋白特异性结合.利用生物信息学筛选抗原表位区并优化序列、原核表达重组蛋白、免疫制备cry1C多克隆抗体,为深入研究抗鳞翅目害虫植物提供了前提条件.