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曾生元等
, 2011,
水稻抗褐飞虱基因及其在分子育种中的应用
,
分子植物育种
(online) Vol.9 No.104 pp.1749-1758 (doi: 10.5376/mpb.cn.2011.09.0104)
1753
不存在显著差异。
Bph14
基因在水稻根、叶鞘和叶
片中组成型表达，且主要在这些器官的维管组织表
达，亚细胞定位显示
Bph14
蛋白主要位于细胞质中。
水稻感虫品种
Kasalath
被褐飞虱为害后出现茎
杆枯萎、叶片卷曲、结实率低，甚至整株死亡等症
状，而以
Kasalath
为受体转有
B5
中
Bph14
基因的
转基因水稻在苗期和成熟期均能健康生长。调查发
现：
Bph14
转基因水稻上褐飞虱的分布和产卵数与
对照植株上的没有显著差别，但是种群生长率只有
对照的五分之一左右，褐飞虱的存活率较对照也明
显减少。另外，褐飞虱在对照植株与
Bph14
转基因
植株的韧皮部取食时间亦发现存在差异。透射电镜
扫描显示：对照和转基因植株在褐飞虱取食后韧皮
部细胞结构并无差异。这些试验综合说明
Bph14
对
褐飞虱具有抗生性，而非排趋作用。
褐飞虱取食
Bph14
转基因水稻后，水稻维管束
细胞壁以及筛板上有较多的胼胝质积累。进一步对
胼胝质合成酶基因和水解酶基因
(β
-
1,3
葡聚糖酶基
因
)
表达分析发现：无论是野生型还是转基因植株，
在褐飞虱刺吸后，三个胼胝质合成基因
(
GSL1
,
GSL5
,
GSL10
)
的表达均明显上调，但是只有转基因植株的
胼胝质水解酶
β
-
1,3
葡聚糖酶
GNS5
和
GNS9
基因
表达减弱，从而保证了胼胝质不被降解，使筛管得
以闭合。此外，转基因植株的胰蛋白酶抑制基因的
表达也有所增强。结果说明胼胝质的积累和胰蛋白
酶抑制剂的产生阻止了褐飞虱的持续侵入和刺吸
韧皮部汁液。通过对水杨酸
(JA)/
茉莉酸
(SA)
-乙烯
信号转导途径中基因的表达分析发现，
Bph14
的
调控受水杨酸信号转导途径调控，而非后者
(Du et
al., 2009)
。
目前另外一个较广谱的抗褐飞虱基因
Bph18
也
已克隆，它编码类似于
Bph14
的
CC-NB
蛋白
(
不含
LRR
结构域
)
，其功能研究正在进行
(Jena and Kim,
2010)
。
Bph14
研究的结果给植物抗虫“基因对基因”
学说带来了依据，并证明褐飞虱为害所诱发的水稻
抗虫机理和植物抗病机理相似。
3
水稻抗飞虱分子育种
3.1
分子标记辅助选择培育持久抗性水稻品种
由于稻飞虱的生物型非常复杂，选育抗虫级别
达到免疫水平
(0
级
)
的水稻品种十分困难，即使是高
抗水平
(1
级
)
也很不容易。含有多个抗性基因或者有
一个主效基因及数个微效基因修饰的品种往往具
有更持久的抗性。通常利用常规育种手段难以聚合
不同的抗虫基因，而一旦获得了抗虫基因紧密连锁
或共分离的分子标记，则可以利用分子标记辅助选
择
(Marker-assisted selection, MAS)
技术定向聚合多
个抗虫基因，选育具有持久抗性水平的品种，延缓
其退化年限。
Bph1
、
bph2
、
Bph3
在籼稻中已广泛应用
(
表
2;
Jena and Kim, 2010)
，对
Bph1
、
bph2
、
Bph3
的分子
标记辅助选择工作也开展较早
(Sharma et al., 2004)
。
借助对
Bph14
、
Bph15
的定位和克隆的研究结果，
何光存课题组较早开展了对
Bph14
、
Bph15
的分子
标记辅助选择育种工作，获得了
6
份聚合有
Bph14
和
Bph15
基因的株系，其抗性明显强于
Bph14
或
Bph15
单基因纯合的株系
(
李进波等
, 2006)
。最近，
梁云涛等开发了用于选择
Bph18
(
t
)
的
STS
标记
KC1
(
梁云涛等
, 2010)
。目前对这些基因的辅助选择大多
出于基因精细定位的需要，然通过对抗性基因的发
掘、筛选和利用，已经获得了不少有价值的中间材
料，含有
Bph14
基因的抗褐飞虱不育系珞红
4A
是
分子标记直接应用于育种实践育成的首个抗稻飞
虱品种。除去与
Bph14
、
Bph15
等位的
Wbph7
(
t
)
、
Wbph8
(
t
)
外
(Tan et al., 2004)
，迄今尚无精细定位或
有紧密连锁标记的水稻抗白背飞虱及灰飞虱基因，
所以只能针对抗褐飞虱基因进行选择，但部分抗褐
飞虱的基因可能对白背飞虱及灰飞虱也具有抗性
(Li et al., 2004;
段灿星等
, 2009)
。
表
2 IR
系列品种应用的抗飞虱基因
Table 2 Bph genes of IR series varieties
Bph
品种
Variety
Bph1
IR26, IR28, IR29, IR30, IR34, IR44, IR45, IR46,
IR64
Bph2
IR32, IR36, IR38, IR40, IR42, IR48, IR50, IR52,
IR54, IR65
Bph3
IR56, IR58, IR60, IR62, IR68, IR70, IR72, IR74
Bph4
IR66
3.2
外源
DNA
的导入
在水稻自身抗褐飞虱基因存在不确定因素之
时，育种家尝试利用外源基因提高水稻抗褐飞虱能
力。雪花莲凝集素
(
snow drop lectin gene
,
Galanthus
nivalis agglutinin
,
GNA
)
具有较强的抗虫性，有报道
称外源的
GNA
转基因水稻对褐稻虱的抗虫植株抗
性较好
(Rao et al., 1998; Wu et al., 2002)
，孙小芬等