高温之下，硬粒小麦抗黑森瘿蚊的神秘面纱：新发现与大突破

为解决全球变暖下小麦抗黑森瘿蚊难题，美国农业部等机构研究人员开展温度独立抗性硬粒小麦研究。结果发现其高温下对多种生物型有抗性，Hfr - 1 或起关键作用。该研究为小麦育种提供资源，极具科研价值，推荐阅读！

　　

在广袤的农田里，小麦作为世界上重要的粮食作物之一，养活了无数人。然而，它却面临着诸多挑战，其中昆虫害虫的侵袭是一大难题。昆虫害虫堪称农作物的 “噩梦”，它们肆意啃食庄稼，导致全球农作物产量大幅下降，粮食安全也因此受到严重威胁。据统计，由于害虫的破坏，全球每年在农作物生产上的损失相当惊人，平均损失幅度在 10 - 28% 之间。而且，随着气候变暖，昆虫活动愈发猖獗，这使得农作物损失的速度进一步加快。有研究预测，全球平均气温每升高 1°C，水稻、玉米和小麦等作物的产量就会损失 10 - 25%；每升温 2°C，这三种主要经济作物的年产量预计将损失约 2.13 亿吨 。

在众多危害小麦的害虫中，黑森瘿蚊（Mayetiola destructor）格外引人注目。这种双翅目瘿蚊是小麦的专性寄生虫，它的存在给小麦种植者带来了巨大的经济损失，无论是在美国还是全球其他地方，都让农民们头疼不已。黑森瘿蚊的雌虫会在小麦幼苗的叶子上产卵，孵化后的幼虫会顺着叶片爬到幼苗基部，在那里建立取食位点。对于易感小麦品种来说，幼虫会分泌唾液效应物，这些效应物就像 “捣乱分子”，干扰小麦的正常代谢途径，抑制小麦的防御反应，还会激活那些让小麦更容易受到侵害的基因。这样一来，小麦就会形成一种富含营养的组织，成为幼虫的 “美食天堂”，而且小麦细胞的通透性也会增强，方便幼虫获取营养。在这种情况下，幼虫就能茁壮成长，在卵孵化后的 28 - 30 天内完成发育。但要是幼虫遇到含有黑森瘿蚊抗性基因（H1 - H36 加上 Hdic）的小麦品种，情况就大不一样了。这些抗性基因就像小麦的 “保护神”，能识别出幼虫的 “不怀好意”，触发一系列防御反应。幼虫会因为无法建立取食位点，得不到足够的营养而饿死，通常在 3 - 5 天内就会死亡。

为了应对黑森瘿蚊的威胁，种植抗性小麦品种成为了全球广泛采用的经济有效的防治策略。然而，这个策略并非万无一失。一方面，黑森瘿蚊的田间种群毒力会发生变化，让原本有效的抗性基因逐渐失去作用；另一方面，环境温度升高也会对小麦中抗性基因的功效产生影响。过去的研究表明，随着环境温度的上升，小麦中的 H 基因会变得无效或者抗性降低。比如，Brahmi 等人就发现，在摩洛哥中北部地区收集的四倍体硬粒小麦品种，在遭受热胁迫时，对黑森瘿蚊田间种群的抗性下降幅度超过 50%。尽管近年来有一些研究致力于探索热胁迫下小麦抗黑森瘿蚊的分子机制，但大多集中在那些失去抗性的六倍体小麦植株上，比如 “Molly” 品种。目前，还没有系统地对能够在高温下保持抗性（温度独立抗性）和失去抗性（热触发敏感）的小麦品系进行表型和分子层面的比较研究。

为了填补这一研究空白，来自美国农业部农业研究服务局作物生产与害虫控制研究单位（Crop Production and Pest Control Research Unit, USDA - ARS）等机构的研究人员在《BMC Plant Biology》期刊上发表了题为 “Genetic and phenotypic responses of temperature - independent Hessian fly - resistant durum wheat to larval attack during heat stress” 的论文。他们通过一系列实验，得出了一些重要结论，为小麦抗黑森瘿蚊的研究提供了新的思路和方向。

研究人员在这项研究中主要运用了以下几种关键技术方法：

1. 生物测定实验：选用 7 种不同生物型的黑森瘿蚊（生物型 L、B、O、D、C、GP（Great Plains）和 vH13）对 5 种硬粒小麦品系进行侵染实验，在 20°C 和 30°C 两种温度条件下，观察小麦的生长表型，记录植株的抗性、敏感性和耐受性情况，以此来评估小麦对不同生物型黑森瘿蚊的抗性反应。
2. 细胞染色技术：利用中性红（NR）染色法评估小麦表皮细胞壁的通透性。根据染色程度来判断细胞壁的通透性，颜色越深表示组织吸收的染色剂越多，通透性越强，从而比较不同小麦品系在这方面的差异。
3. 转录组分析：选取部分小麦品系，在不同时间点收集受黑森瘿蚊侵染和未受侵染植株的第二叶鞘组织样本，提取 RNA 并进行逆转录合成 cDNA，然后通过定量实时逆转录聚合酶链反应（qRT - PCR）检测相关基因的表达水平，分析基因在不同条件下的表达变化。

下面我们来详细看看研究人员都有哪些重要发现：

1. 温度独立抗性硬粒小麦品系对多种黑森瘿蚊生物型保持抗性：研究人员之前发现了三个在 30°C 高温下仍对黑森瘿蚊生物型 L 具有抗性的硬粒小麦品系 CItr 6870、CItr 3174 和 PI 61862。在本次研究中，他们进一步测试了这些品系对多种黑森瘿蚊生物型在 20°C 和 30°C 下的抗性反应。结果发现，CItr 6870 和 CItr 3174 对 vH13、GP、B 和 O 这 4 种生物型在两种温度下都有 80 - 100% 的抗性，PI 61862 对所有测试生物型在两种温度下的抗性都超过 70%。不过，CItr 6870 和 CItr 3174 对生物型 C 和 D 的抗性在 30°C 时会显著下降。从实验数据来看，CItr 6870 在 20°C 时对生物型 D 的抗性为 88%，到 30°C 时降至 44%；CItr 3174 在 20°C 时对生物型 D 的抗性为 100%，30°C 时降至 27% 。这表明热胁迫会影响这些小麦品系对部分生物型黑森瘿蚊的抗性。
2. 温度独立抗性硬粒小麦表现出正常的叶片和植株生长：研究人员对不同小麦品系在不同温度处理下的叶片和植株生长情况进行了观察。结果显示，30°C 处理 3 天对所有硬粒小麦品系的叶片生长都有一定影响，但影响程度因品系而异。对于温度独立抗性的小麦品系 CItr 3174 和 PI 61862 来说，虽然黑森瘿蚊侵染会使幼叶（2 - 4 叶）出现轻微的生长迟缓，但第 5 叶能恢复正常生长，植株整体生长不受太大影响，在 20°C 和 30°C 下的生长情况相似。而热触发敏感的小麦品系 CItr 17647 在 20°C 时生长情况与抗性品系相似，但在 30°C 失去抗性后，叶片严重生长受阻，植株生长停滞，这与易感小麦品系 CItr 8637 在两种温度下的生长表现相似。从植株整体照片可以明显看出，温度独立抗性品系在 30°C 下生长正常，而热触发敏感品系则出现生长矮小的现象。
3. 温度独立抗性硬粒小麦的表皮细胞壁通透性降低：通过中性红染色实验，研究人员比较了不同小麦品系的表皮细胞壁通透性。结果发现，温度独立抗性小麦品系 CItr 3174 染色很浅，大部分植株的染色评分在 0 - 2 之间，表明其细胞壁通透性很低，与未受侵染的对照植株相似。PI 61862 在 20°C 时抗性植株的染色评分在 1 - 3 之间，30°C 时抗性植株的评分在 1 - 2 之间，而敏感植株的评分在 4 - 6 之间。热触发敏感小麦品系 CItr 17647 在 20°C 时抗性植株的染色评分在 1 - 3 之间，30°C 时敏感植株的评分在 1 - 6 之间，且染色范围较大。易感小麦品系 CItr 8637 在两种温度下的染色评分都很高，在 4 - 7 之间，染色覆盖了植株冠部组织的大部分区域。这说明温度独立抗性小麦品系的细胞壁通透性明显低于热触发敏感和易感小麦品系。
4. 硬粒小麦中黑森瘿蚊响应防御反应生物标志物基因的差异表达：研究人员对与小麦抗黑森瘿蚊相关的防御基因进行了转录组分析。在 20°C 时，Hfr - 1、Hfr - 3 和 HfrDrd 等基因在所有抗性小麦品系（CItr 3174、PI 61862 和 CItr 17647）中都显著上调，而易感小麦品系 CItr 8637 中这些基因的表达水平则很低或几乎不表达。在 30°C 热胁迫下，温度独立抗性品系 CItr 3174 和 PI 61862 中 Hfr - 1 的表达与 20°C 时相似，但热触发敏感品系 CItr 17647 中该基因不再被诱导表达。不过，Hfr - 3 和 HfrDrd 在热触发敏感品系 CItr 17647 中仍然被诱导表达，尽管该品系在 30°C 时已失去抗性。这表明 Hfr - 1 可能在温度独立抗性小麦对黑森瘿蚊的早期防御中发挥重要作用，而 Hfr - 3 和 HfrDrd 可能在高温下与小麦和黑森瘿蚊的相互作用中具有其他非抗性相关的功能。
5. 热触发敏感硬粒小麦中黑森瘿蚊响应敏感性相关生物标志物基因的差异表达：研究人员还分析了与小麦 - 黑森瘿蚊亲和互作（敏感性）相关的标记基因。结果发现，Mds - 1、Aat、Oat 和 Odc 等基因在易感小麦品系 CItr 8637 中大部分时间点和两种温度下的转录水平都显著上调。在热触发敏感小麦品系 CItr 17647 中，这些基因在 20°C 时并非都显著上调，但在 30°C 热胁迫后，它们的转录水平显著升高，与易感小麦品系 CItr 8637 的表达模式相似。而在温度独立抗性小麦品系 PI 61862 中，除了 Odc 在 20°C 时略有上调外，其他敏感性相关基因在两种温度下的所有时间点都没有差异表达。这说明热胁迫会导致热触发敏感小麦品系中敏感性相关基因的表达增加，使其表现出与易感小麦相似的特征。
6. 热触发敏感硬粒小麦中细胞壁相关基因的下调：由于观察到温度独立抗性和热触发敏感硬粒小麦品系之间细胞壁通透性存在差异，研究人员对细胞壁相关基因的表达进行了研究。结果发现，β - glu、Exp 和 Ltp 等细胞壁相关基因在易感小麦品系 CItr 8637 和热触发敏感小麦品系 CItr 17647（仅在 30°C 且 8 DAH 时）中显著下调，而在温度独立抗性小麦品系 CItr 3174 和 PI 61862 中没有显著表达。另外，在热触发敏感小麦品系 CItr 17647 和易感小麦品系 CItr 8637 中，编码蔗糖合酶（SuSy）的基因在 30°C 时转录水平略有升高，这可能为幼虫取食位点提供更多营养。这表明热触发敏感小麦品系在热胁迫下，细胞壁相关基因的表达发生变化，可能影响细胞壁的结构和功能，从而促进幼虫的取食。
7. 硬粒小麦中氧化应激途径基因的表达：为了探究活性氧（ROS）是否参与小麦对黑森瘿蚊的抗性或敏感性反应，研究人员检测了参与氧化爆发的基因 Pox、Grx 和 Gst 的转录水平。结果发现，所有小麦品系（温度独立抗性、热触发敏感和易感）在至少一个或多个时间点上，这些基因的转录水平都有所增加，但没有呈现出与温度处理相关的特定表达模式。在 20°C 时，PI 61862 和易感小麦品系中 Pox 的转录水平上调；在 30°C 时，热触发敏感小麦品系 CItr 17647 和易感小麦品系中 Pox、Grx 和 Gst 的转录水平上调。这说明氧化应激途径基因的表达变化可能是小麦应对黑森瘿蚊侵染和热胁迫的一种普遍反应，但具体作用还需进一步研究。
8. 硬粒小麦中茉莉酸（JA）生物合成相关基因的表达：研究人员还研究了茉莉酸（JA）生物合成相关基因 Aoc、Aos 和 Opr3 在不同小麦品系中的表达情况。结果发现，这些基因的表达模式在不同时间点、温度和基因型之间没有明显规律。在 20°C 时，PI 61862 中 Aoc 的转录水平在 1 DAH 时显著积累，CItr 3154 和 CItr 17647 中 Opr3 的转录水平升高；在 30°C 热胁迫后，热触发敏感小麦品系 CItr 17467 中 Opr3 的转录水平在 4 DAH 时显著上调，CItr 3154 中 Aoc 的转录水平在 8 DAH 时升高。这表明茉莉酸生物合成相关基因在小麦对黑森瘿蚊的抗性和热胁迫反应中的作用较为复杂，还需要进一步深入研究。

综合以上研究结果，研究人员得出结论：温度独立抗性的四倍体硬粒小麦品系在高温下对多种黑森瘿蚊生物型具有较强的抗性，其中 Hfr - 1 基因编码的甘露糖结合 jacalin 样凝集素可能在维持高温抗性中发挥重要作用。而热触发敏感的硬粒小麦品系在高温下会失去抗性，表现为敏感性相关基因上调，植株生长受到抑制，细胞壁通透性增加，这些特征与易感小麦相似。这项研究为我们深入了解小麦与黑森瘿蚊在不同温度下的相互作用机制提供了重要依据，也为小麦育种和种植提供了有价值的参考。温度独立抗性的硬粒小麦品系为小麦育种者和种植者提供了宝贵的资源，有望在那些环境温度升高影响作物产量的地区，有效提高小麦对黑森瘿蚊的抗性，保障小麦的产量和质量，对全球粮食安全具有重要意义。未来，通过对这些小麦品系进行转录组学和代谢组学研究，以及对热触发敏感小麦植株进行糖组学分析，将有助于我们进一步揭示小麦对黑森瘿蚊抗性或敏感性的调控机制，为培育更优良的小麦品种奠定基础。