《Plant Stress》：Managing pollen beetle (Brassicogethes aeneus) in rapeseed (Brassica napus L.): from biological interactions to integrated control and resistance breeding
油菜是全球温带地区的主要油料作物。然而，该作物易受多种害虫侵袭，其中花粉甲虫（Brassicogethes aeneus）是破坏性最大的害虫之一。在本综述中，研究人员介绍了花粉甲虫的生命周期、花粉甲虫对油菜及芸薹属（Brassica）作物的已知影响、当前控制策略（包括已知的杀虫剂抗性）以及评估油菜花粉甲虫抗性的技术（表型分析和生化分析）。随后，研究人员涵盖了现有及未来可能的控制花粉甲虫的策略，包括育种目标。育种策略包括在野生近缘种中鉴定抗性，并通过经典渗入育种或生物技术方法（转基因）将该抗性渗入甘蓝型油菜（B. napus），同时可辅以农艺策略，例如使用白菜型油菜（B. rapa）作为诱集作物，或通过新型生理和分子方法，如挥发性物质介导的宿主抗性和诱导抗性。为确保粮食安全和可持续性并减少农药使用，必须采用所有可能的策略来控制花粉甲虫。
**1. Agronomic impact of pollen beetle on rapeseed production**
油菜（Brassica napus L.）是全球重要的油料作物，主要用于烹饪和生物能源的油脂提取，饼粕用作牲畜饲料。低芥酸和低硫苷（glucosinolate）的“双低”或“Canola”油已成为全球主要食用植物油来源。全球油菜产量显著增长，主要产区为加拿大、中国、印度和欧洲。花粉甲虫（Brassicogethes aeneus）属于露尾甲科（Nitidulidae），是芸薹属油料作物在经济上极具破坏性的害虫，在常规和有机农业系统中均有危害。该害虫在花蕾形成期（绿色至黄色花蕾期）和开花期造成损害，导致无荚茎和种子产量及品质下降。在春季油菜中，若缺乏昆虫防治等适当控制，花粉甲虫可造成高达80%的产量损失。气候变化也影响花粉甲虫种群和发生速率，预计在未来气候变化情景下影响将加剧。
**1.1. Life cycle of the pollen beetle**
单化性（univoltine）花粉甲虫以成虫在落叶层或作物残体中越冬，可飞行数公里至林缘或树篱的越冬场所。春季，成虫飞向适宜宿主进行取食、交配和产卵。花粉甲虫偏好芸薹属（Brassica）物种，尤其是油菜，用于产卵。成虫要么破坏闭合花蕾，要么在开放花朵中取食花粉，其中花蕾取食造成的损害更大。卵仅在芸薹科（Brassicaceae）植物至少3毫米长的花蕾内产下。幼虫经历两个龄期，第一龄幼虫主要在闭合花蕾内取食，第二龄幼虫在花蕾和开放花朵中取食，随后离开植物在土壤中化蛹。从卵发育到新成虫约需一个月，新成虫在夏季中旬出现，取食后越冬。
**1.2. Biology of the plant-insect interaction**
越冬后的花粉甲虫被油菜田的叶片和花朵从20米以上距离吸引，利用气味介导的趋风性（odour-mediated anemotaxis）和黄色花颜色定位油菜。花粉甲虫在540 nm（绿色）处具有峰值光谱敏感性，二次峰在370 nm（紫外），表明其对油菜花蕾和花朵的光谱反射有吸引力。植物方面，化学物质（如挥发物、防御蛋白、有毒次生代谢物）和物理防御反应（如毛状体）对保护植物免受植食性昆虫侵害至关重要。次生代谢物硫苷（glucosinolates）及其水解产物通过直接防御发挥毒性或拒食作用，但花粉甲虫作为专食性昆虫，对硫苷及其分解产物有趋性。
**1.3. Insecticides**
长期以来，多种化学农药，尤其是拟除虫菊酯（pyrethroids），用于控制花粉甲虫。然而，杀虫剂的过度使用对生物防治因子和传粉媒介产生负面影响，并危害生态系统服务。减少对杀虫剂的依赖，通过综合害虫管理（integrated pest management, IPM）策略对维持油菜生产的经济可行性和环境可持续性至关重要。另一个问题是杀虫剂抗性的发展，尤其是欧洲多数花粉甲虫种群已对拟除虫菊酯产生高度抗性，例如丹麦种群对拟除虫菊酯的抗性高达99%。
**1.4. Cultural practices**
农艺生产中的特定栽培措施可用于控制害虫，包括轮作、耕作、早播、施肥制度和田间边缘保留非寄主植物。轮作可破坏害虫生命周期，但由于昆虫的移动性，单独轮作无法完全控制害虫。景观层面的轮作模式可影响文化控制策略的有效性，例如前作油菜田附近种植油菜可能通过减少天敌的扩散距离来促进其活动。田间监测花粉甲虫是重要标准做法，常用黄色水基粘性陷阱和黄色盆陷阱，也可使用光学传感器等传感器技术监测迁入行为。
**1.5. Parasitoids and predators of pollen beetle**
利用天敌是减少花粉甲虫数量的替代策略。蜘蛛和地面甲虫作为捕食者，捕食花粉甲虫。寄生蜂（parasitoids）如Tersilochus heterocerus和Phradis spp.在花粉甲虫宿主体内完成幼虫发育并致死。田间观察发现Platynus dorsalis（杂色步甲）和Poecilus cupreus（铜色步甲）是花粉甲虫的天然捕食者，它们取食脱落的花粉甲虫幼虫。蜘蛛如Theridion impressum（球蛛科）在油菜豆荚和花朵附近结网捕食，Pardosa agrestis（狼蛛科）在地面捕食。寄生蜂如Phradis morionellus和P. interstitialis是花粉甲虫最丰富的寄生蜂。研究表明，某些杀虫剂组（如噻虫啉-新烟碱类）可减少花蕾内幼虫和卵，但整体上杀虫剂应用对花粉甲虫种群动态影响有限。
**1.6. Trap cropping for pollen beetle control**
诱集作物（trap cropping）是种植比主作物对害虫更具吸引力的次要植物物种或品种。白菜型油菜（Brassica rapa）被确定为适合的诱集作物，其早开花期是主要吸引因素，此外挥发性物质谱、硫苷含量和植物颜色也影响偏好。在油菜田边缘使用白菜型油菜可有效减少主作物上的害虫压力。其他试用的诱集作物包括黑芥（Brassica nigra）、萝卜（Raphanus sativus）和芝麻菜（Eruca vesicaria），其中黑芥生长快且在季节早期吸引更多甲虫，而萝卜为死胡同诱集作物（dead-end trap crop），幼虫存活率显著降低。诱集作物的有效性取决于适当发育阶段，例如诱集作物应在主作物开始花蕾形成时处于早期开花期。
**2. Phenotyping for Pollen Beetle Resistance**
**2.1. Phenotyping for pollen beetle damage to buds**
准确鉴定对花粉甲虫具有抗性的植物基因型是当前育种方法的关键第一步和主要限制因素。实验室饲育昆虫的困难以及显著的环境变异是主要障碍。表型分析主要有两种方法：一是计数成虫数量，但该方法不准确，因为甲虫移动性强；二是评估植物损害，如受损花蕾数量或主茎上未发育的豆荚数量。幼虫计数也是宿主适宜性的关键指标，可通过解剖花朵和花蕾后显微镜下计数或拍打法（beating method）进行。
**2.2. Choice/no-choice and dual bud-choice feeding bioassays**
选择及非选择试验是植物抗虫性表型分析的有效生物测定方法。非选择试验包括四种主要类型：在培养皿中放置花蕾或花药供甲虫取食，以及在整株植物或微型植物上罩网限制甲虫活动后评估损害。选择试验中，甲虫可自由选择不同植物，如白菜型油菜和油菜之间的行为测试。双花蕾选择试验（dual-bud choice experiment）用于检查甲虫对两种植物/物种花蕾的偏好。此外，可利用Y管嗅觉仪（Y-tube olfactometer）、线性管嗅觉仪和四臂嗅觉仪（4-arm olfactometer）比较不同油菜品种对甲虫的吸引力。然而，生物测定受限于田间采集花粉甲虫的季节性和实际可用性。
**2.3. Biochemical analyses and known plant traits for pollen beetle resistance**
受损油菜花蕾的化学分析对于将甲虫损害与抗性模式相关联至关重要。已鉴定出五种生物标志物：初级代谢物脯氨酸、丝氨酸和蔗糖浓度与花蕾损害正相关，次生代谢物如山奈酚-3-O-槐糖苷和槲皮素-3-O-槐糖苷浓度与损害负相关。已知的抗性性状包括毛状体（trichomes）作为物理屏障，以及硫苷（glucosinolates）的产生。硫苷通过芥子油苷-黑芥子酶系统（glucosinolate-myrosinase system）释放异硫氰酸酯等有毒物质，但育种中为了降低硫苷含量可能增加了对害虫的易感性。研究表明，抗性并非由单一硫苷决定，而是依赖于多种代谢物及其分解产物的复杂组合。
**2.4. Identification of pollen beetle resistance within rapeseed (Brassica napus)**
早期研究对29个春油菜品种进行了离体花蕾测定，发现品种间存在较大变异，部分品种表现出较低甲虫偏好。后续研究对90个春油菜种质进行了两年试验，发现产量与甲虫攻击呈负相关，表明油菜内存在抗性多样性。不同试验条件下，品种间的吸引力差异并非总是一致，实验室结果不一定适用于田间。目前尚未在油菜中发现主要或单基因抗性，但可利用已鉴定的变异作为育种和选择来源，然而目前仅观察到偏好/吸引力差异，而非幼虫存活差异，这可能限制抗性育种的可能性。
**2.5. Identification of pollen beetle resistance in related species**
油菜品种对花粉甲虫的抗性较低，但其他芸薹科物种中发现了有希望的抗性水平，如Barbarea vulgaris、Diplotaxis tenuifolia、芝麻菜（Eruca vesicaria）、白芥（Sinapis alba）、Iberis amara和Crambe hispanica subsp. abyssinica。白芥花蕾上的毛状体是物理屏障，但其与油菜的杂交后代中未表达该性状。芝麻菜和白芥对花粉甲虫的损害比油菜更具抗性。芝麻菜和萝卜上的幼虫数量少于黑芥和油菜。Barbarea vulgaris含有皂苷（saponins），对植食性昆虫具有毒性和拒食作用。
**3. Breeding strategies for pollen beetle resistance**
由于现有油菜品种中缺乏抗性，育种策略受限。可行的选择包括基于种间杂交的渗入育种和转基因方法。甘蓝型油菜（B. napus）的次级种质库包括含有A或C亚基因组的物种，如白菜型油菜（B. rapa）和甘蓝（B. oleracea）等，可通过人工授粉杂交，但需胚挽救。更困难的种质包括芸薹族（Brassiceae）中的远缘物种，如萝卜（Raphanus sativus）、黑芥（Brassica nigra）、白芥（Sinapis alba）和芝麻菜（Eruca vesicaria），其中白芥和芝麻菜对花粉甲虫具有天然抗性，是渗入育种的宝贵资源。然而，白芥与油菜的属间杂交需要胚挽救或体细胞杂交方法。更远缘的物种如亚麻荠（Camelina sativa）和Barbarea vulgaris也显示抗性，但可能需要体细胞杂交，且可能无法恢复足够可育的杂交后代。
**4. Novel molecular and physiological approaches for pollen beetle resistance**
**4.1. Volatile-mediated host resistance**
花粉甲虫被油菜的视觉外观（花色）、花粉气味以及花蕾和开花期释放的挥发物所吸引。电生理研究表明，硫苷分解产物如2-苯乙基异硫氰酸酯、吲哚和苯乙醛是吸引甲虫的化学来源，而萜类化合物如α-侧柏烯、α-蒎烯、1,8-桉叶素和柠檬烯是驱避剂。白菜型油菜中这些驱避剂含量较低或无，而吸引力物质含量较高，这解释了其作为诱集作物的原因。硫苷代谢在抗性育种中面临根本挑战，因为硫苷既是防御化合物又是甲虫的关键定位线索。因此，持久抗性可能需要整合优化挥发性物质谱，包括减少诱迹物质、增强驱避物质并保留硫苷的保护功能。
**4.2. Gene editing and metabolic engineering**
渗入育种虽有价值，但常受限于自交不亲和、育性降低和连锁累赘。未来育种将越来越多地整合基因组选择、基因组编辑和代谢工程。转基因方法已用于开发抗虫性，例如通过改变次生代谢物或挥发性有机化合物。在油菜中，曾尝试表达豌豆凝集素（pea lectin）以减少甲虫取食和产卵，但仅观察到卵大小和幼虫表现的轻微变化。CRISPR/Cas9基因编辑技术已用于通过敲除BADH2和ALDH10基因产生具有茉莉花香味的油菜，但尚未评估其对昆虫吸引/驱避的影响。该研究为未来通过编辑挥发性基因途径影响甲虫行为提供了可能性。
**4.3. Induced defence priming and RNA interference**
植物在遭受植食者攻击时会释放挥发性物质，如植食诱导植物挥发物（herbivore-induced plant volatiles, HIPV）和产卵诱导植物挥发物（oviposition-induced plant volatiles, OIPV），这些物质可激活邻近植物的防御机制。例如，油菜在Pieris brassicae幼虫产卵后释放α-蒎烯、柠檬烯等，而在幼虫取食后释放HIPV如4-己烯基乙酸酯和DMNT，吸引天敌进行间接防御。新兴的RNA干扰（RNAi）和喷雾诱导基因沉默（spray-induced gene silencing, SIGS）方法可用于靶向管理花粉甲虫，外源dsRNA通过口服可诱导甲虫的RNAi反应，但需进一步优化靶基因选择、递送效率和田间稳定性。
**5. Future perspectives**
尽管油菜抗花粉甲虫育种取得进展，但仍需解决若干挑战。首先，野生近缘种是渗入育种的宝贵资源，但需应对连锁累赘、育性降低和农艺表现等问题。其次，需要标准化、可重复、可扩展的表型分析方法，并发展高通量表型方法，如数字成像和计算机视觉辅助的自动图像分析。第三，基于RNA的害虫控制技术（如喷雾诱导基因沉默和转基因RNAi）为抑制靶基因提供了有效选择。最后，需要更深入地理解甲虫、油菜和天敌之间的化学通讯网络，特别是硫苷衍生化合物、挥发性化学物质和诱导植物气味在寄主定位和产卵行为中的作用。因此，应结合栽培措施、生物防治、信息化合物方法和精确育种工具的综合害虫管理策略。
**6. Conclusions**
结合不同作物管理策略（如利用天敌、耕作、轮作）以及抗性品种育种的综合害虫管理对于可持续油菜生产是必要的。当前使用多种策略保护油菜，但花粉甲虫损害仍然可见，且甲虫对主要杀虫剂类（拟除虫菊酯）的抗性日益增强。因此，需要可持续和环境友好的解决方案，如渗入育种和转基因方法，以提高油菜的抗性。新型分子和生理方法（如诱导抗性和挥发性介导的宿主抗性）对于检测早期线索以激活防御至关重要。此外，需要筛选更多基因型（尤其是野生近缘种）的抗性，并更好地理解植物-昆虫互作和抗性机制，以进一步鉴定和靶向育种性状。
