ZmBGLU17调控玉米对草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda）抗性的遗传基础

《Agronomy》：The Genetic Basis of ZmBGLU17 in Modulating Maize Resistance to the Fall Armyworm Spodoptera Frugiperda

　　

玉米作为全球重要的粮食作物，在其整个生产过程中受到包括草地贪夜蛾（FAW, Spodoptera frugiperda）在内的害虫威胁。目前的管理策略主要局限于传统化学杀虫剂和转基因玉米品种。然而，玉米自交系群体内内源抗虫基因的鉴定与功能表征，以及调控抗性的潜在分子机制，仍知之甚少。本研究在田间对300份现代玉米自交系和200份重组自交系（RIL）群体开展了系统的草地贪夜蛾抗性评价，随后通过数量性状位点（QTL）定位和全基因组关联分析（GWAS）筛选候选基因。研究数据表明，β-葡萄糖苷酶ZmBGLU17被鉴定为关键的草地贪夜蛾抗性基因，其促进了木质素和DIMBOA两种防御代谢物的积累。ZmBGLU17基因的过表达通过显著降低幼虫存活率，赋予玉米对草地贪夜蛾增强的抗性。单倍型分析揭示了两种不同的单倍型，其中单倍型1较单倍型2表现出显著增强的草地贪夜蛾侵染抗性。综上所述，研究人员将ZmBGLU17鉴定为抗草地贪夜蛾的关键抗性相关基因，并通过严谨的遗传验证确认了其功能作用。此外，单倍型分析揭示了抗性相关单倍型的普遍存在，从而为选育抗草地贪夜蛾的玉米自交系奠定了分子基础。

**研究背景与意义**

玉米是全球重要的经济与粮食作物，但虫害导致其产量和品质遭受巨大损失。草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda，FAW）是主要的迁飞性农业害虫，具有传播迅速、危害严重的特点，全球范围内每年估计造成玉米减产约20%，严重地块甚至可能绝收。传统化学防治和生物防治手段效果有限且难以持续，因此通过标记辅助选择或基因组育种挖掘和利用内源抗虫基因，成为减轻草地贪夜蛾危害最具经济性、环境可持续性和长期有效性的策略。然而，玉米自交系群体中内源抗虫基因的鉴定与功能表征仍不充分，抗性调控的分子机制也有待阐明。玉米依靠组成型和诱导型多层防御系统抵御害虫，茉莉酸（JA）、水杨酸（SA）和乙烯（ET）等激素发挥关键调控作用，苯并噁嗪类化合物（Bxs）和木质素是重要的化学防御物质。β-葡萄糖苷酶（EC 3.2.1.21）属于多个糖苷水解酶（GH）家族，其中植物GH1家族成员可催化β-糖基化次生代谢物的水解，介导防御化合物的活化。

**研究概述**

研究人员利用300份现代玉米自交系和200份重组自交系（RIL）群体，在田间条件下系统评价了草地贪夜蛾抗性，结合QTL定位和全基因组关联分析（GWAS）筛选候选基因，鉴定出β-葡萄糖苷酶ZmBGLU17为关键抗性基因，其通过促进木质素和DIMBOA两种防御代谢物的积累增强玉米抗性。过表达ZmBGLU17可显著增强玉米对草地贪夜蛾的抗性并降低幼虫存活率。单倍型分析鉴定出两种单倍型，其中单倍型1抗性显著优于单倍型2。该研究发表在《Agronomy》期刊，为抗草地贪夜蛾玉米自交系的分子选育奠定了重要基础。

**主要技术方法**

研究采用以下关键技术：（1）田间表型鉴定：300份现代自交系于2023年郑州（23ZZ）和浚县（23XX）试验点、200份RIL群体（来源于BT-1×N6）于2024年郑州（24ZZ）和原阳（24YY）试验点进行抗虫性评价；（2）GWAS分析：基于简化基因组测序获得的高质量SNP，采用广义线性模型（GLM）和混合线性模型（MLM）进行关联分析；（3）QTL定位：基于二代测序（NGS）靶向捕获技术，利用IciMapping软件构建连锁图谱并分析；（4）逆转录定量PCR（RT-qPCR）检测基因表达；（5）高效液相色谱-串联质谱（HPLC-MS/MS）测定DIMBOA含量；（6）石蜡切片结合番红O-固绿双重染色观察木质素沉积。

**研究结果**

3.1 玉米自交系群体草地贪夜蛾抗性变异
田间抗性评价显示，300份现代自交系和200份RIL群体的叶片受害等级均呈近似正态分布，基因型方差σ²_g及基因型与环境互作方差σ²_ge均显著。现代自交系遗传力为0.4126–0.643，RIL群体为0.7894–0.8341，表明表型变异受遗传和环境因素共同调控。大多数自交系表现为中抗，仅少数表现高抗或高感。

3.2 RIL群体抗草地贪夜