水稻类黄酮途径对不同致害性褐飞虱取食的应答及作用机制

褐飞虱是水稻的重要害虫，在与抗性水稻互作过程中，褐飞虱致害性会发生变异，产生能够适应水稻品种抗性的新种群。褐飞虱致害性变异机制至今尚未得到很好地阐明，抗虫育种工作十分被动。类黄酮途径参与植物的诱导防御反应，类黄酮具有重要的抗虫抑菌活性。我们发现在褐飞虱取食诱导下，水稻类黄酮途径的相关基因在抗虫品种和感虫品种间出现了不同的表达模式：抗虫品种的某些关键酶基因或转录因子编码基因会在较短的时间内出现不同程度的表达上调；而感虫品种相应基因的表达量变化较小，或出现下调。我们认为，类黄酮途径对不同致害性褐飞虱诱导的差异应答及类黄酮化合物的组成与含量差异，是水稻品种对不同致害性褐飞虱抗性差异的重要机制之一。本课题拟围绕水稻类黄酮途径对不同致害性褐飞虱诱导的应答模式及水稻类黄酮对不同致害性褐飞虱的抗性作用开展相关研究工作，以期阐明类黄酮途径在水稻与褐飞虱互作中的作用及其机制，为持续有效防控褐飞虱开拓新途径。

褐飞虱（Nilaparvata lugens Stål）是重要的水稻（Oryza sativa L.）害虫之一。抗性水稻品种在褐飞虱的防治实践中发挥了重要作用，但是水稻品种的抗性会随着褐飞虱致害性的变异而发生变化，出现抗性降低、甚至丧失的现象。因此，从水稻中发现和分离新的抗源，并通过分子设计手段，改善水稻对褐飞虱的抗性是一项有意义却颇具挑战的工作。本项目通过构建典型的水稻品种与褐飞虱互作模型，采用HPLC、LC-MS/MS、NMR、分子生物学等手段，系统研究了水稻类黄酮途径在防御褐飞虱中的作用，取得了以下成果：（1）优化了水稻总黄酮的提取工艺，确定了水稻总黄酮超声波提取的最佳条件为：乙醇浓度70%，料液比1:30，超声功率250 w，超声时间50 min；（2）研究了4个不同抗性水稻品种总黄酮的含量及总黄酮对褐飞虱的作用效果，明确了水稻总黄酮的含量与品种抗性间没有直接关系，但是，在总量相同的情况下，水稻总黄酮对褐飞虱的抑制效果因品种抗性不同而存在差异，提示水稻总黄酮中存在于褐飞虱抗性相关的成分；（3）建立了不同抗性品种水稻总黄酮的HPLC指纹图谱，筛选到4个在抗性品种和感性品种间有差异的峰，证实了差异峰1（P1）的丰度与寄主对褐飞虱的抗性密切相关，并将P1鉴定为schaftosid；（4）证实schaftosid在适当浓度下对褐飞虱的存活率及其体内类酵母共生菌的数量均有显著的抑制效果，有力地证明了schaftosid在水稻抗褐飞虱中的作用及其潜在的利用价值；（5）对类黄酮途径的pal、chs、chi、fns等基因的表达规律进行了荧光定量PCR分析，明确了这4个基因对褐飞虱取食的应答模式，尤为重要的是，发现褐飞虱取食大幅度诱导了fns的上调表达；（6）对水稻类黄酮途径上游关键酶基因pal进行了克隆和遗传转化，成功构建了pal超表达转基因植株。本项目通过一系列研究，最终将水稻对褐飞虱的防御反应锁定到schaftoside及其代谢途径，探明了水稻对褐飞虱的一种重要防御机制，为通过分子设计手段改善水稻对褐飞虱的抗性提供了重要线索，为理解褐飞虱致害性变异机制找到了重要的突破口和切入点。