利用多年生高粱遗传变异增强对甘蔗蚜的抗性机制研究

推荐语：针对甘蔗蚜（SCA）对高粱生产的严重威胁，美国内布拉斯加大学林肯分校与The Land Institute合作，通过无选择/选择生物测定和电穿透图（EPG）技术，筛选出12个高抗SCA的多年生高粱基因型（如X999>R485），揭示其抗性由韧皮部防御和拒食效应（Antixenosis）协同作用。该研究为可持续农业中抗虫育种提供了新资源，成果发表于《Scientific Reports》。

　　

论文解读

在全球农业可持续发展面临挑战的背景下，传统一年生作物的高投入和生态局限性日益凸显。多年生作物因其低维护、固碳保土等优势成为研究热点，但如何应对病虫害仍是关键难题。甘蔗蚜（Melanaphis sacchari, SCA）作为高粱的毁灭性害虫，仅2013-2015年就导致美国南德州损失4095万美元，减产高达50%-100%。更棘手的是，气候变化加剧了作物对害虫的敏感性，而现有抗性基因资源多集中于一年生高粱，多年生品种的抗虫机制几乎空白。

针对这一困境，美国内布拉斯加大学林肯分校与The Land Institute的联合团队展开了一项开创性研究。他们从多年生高粱（Sorghum bicolor × S. halepense杂交系）中筛选出43个基因型，通过多维度实验鉴定出高抗SCA的基因型X999>R485，其抗性水平甚至超越已知抗性一年生品种。研究发现，抗性基因型通过韧皮部（phloem）营养限制和物理拒食双重机制抵御蚜虫，为抗虫育种提供了新靶点。该成果发表于《Scientific Reports》，为可持续农业的害虫管理策略奠定了理论基础。

研究团队采用三大关键技术：1）无选择生物测定（No-choice assay）量化蚜虫繁殖数与叶片损伤等级，筛选抗/感基因型；2）选择生物测定（Choice assay）评估蚜虫定居偏好性；3）电穿透图（EPG）实时监测蚜虫口针在植物组织中的穿刺行为，定位抗性关键位点。所有实验均以标准品种BTx623和已知抗/感一年生高粱（SC265/SC1345）为对照，确保数据可靠性。

研究结果

无选择生物测定揭示抗性梯度
通过7天蚜虫计数和14天损伤评级，43个基因型被划分为高抗（如X999>R485）、中抗、中感和高感（如PR376~Tift241）四类。高抗基因型蚜虫数量仅为高感基因型的11%（26.10 vs 238.08头），且损伤等级降低1.2倍。

选择实验证实拒食效应
蚜虫在抗性基因型X999>R485上的24小时定居量比感病基因型PR376~Tift241低67%，表明其表面特性（如蜡质层或挥发性物质）显著抑制蚜虫宿主选择。

EPG解码抗性机制
抗性基因型中，蚜虫在韧皮部取食时间（phloem phase）比感病品种缩短3.5倍（P<0.0001），而在通路期（pathway phase）延长2倍（P=0.0401）。值得注意的是，蚜虫抵达首个筛管时间无差异，暗示抗性源于韧皮部内防御（如胼胝质沉积或抗营养因子），而非物理屏障。

结论与意义

该研究首次系统解析了多年生高粱对SCA的多层次抗性机制：高抗基因型X999>R485通过韧皮部营养限制（抗生作用）与表皮拒食（拒食效应）协同防御，其中韧皮部防御可能涉及JA（茉莉酸）或ABA（脱落酸）信号通路诱导的筛管阻塞。这一发现不仅填补了多年生作物抗虫研究的空白，更为设计“生态友好型”抗虫品种提供了分子靶点。

从应用角度看，利用野生种质（如S. halepense）培育抗SCA的多年生高粱，可减少农药依赖、降低农业碳足迹。正如作者Esha Kaler所述，该成果“将遗传多样性转化为可持续解决方案”，呼应了联合国《2030年可持续发展目标》中“零饥饿”与“气候行动”的双重诉求。未来研究可聚焦抗性基因的克隆及田间稳定性验证，推动这一策略从实验室走向大田。