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甘薯（Ipomoea batatas L.）是世界重要的經(jīng)濟作物，而中國是全球最大的甘薯生產(chǎn)、消費和出口國，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的60%以上。作為我國的特色農(nóng)產(chǎn)品，甘薯既是保障糧食安全的底線作物，也是精準扶貧的優(yōu)勢作物。甘薯種植區(qū)主要分布在溫帶、熱帶和亞熱帶地區(qū)，頻繁發(fā)生的蟲害已成為制約甘薯生產(chǎn)的主要因素。甘薯小象甲是甘薯種植危害最大的害蟲，也是國際上重要的檢疫性害蟲，通過啃咬葉蔓、蛀食薯塊等，在種植期和薯塊儲存期均造成危害，嚴重影響甘薯的產(chǎn)量和食用品質(zhì)。甘薯小象甲在亞洲和非洲薯區(qū)發(fā)生十分嚴重，可造成10%～30%產(chǎn)量損失，嚴重時在50%以上，防范不當易導致絕收，給甘薯生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟損失。在我國南方甘薯種植區(qū)一年可多代發(fā)生且世代重疊，因氣候變暖，近年來已擴散至長江流域種植區(qū)，有逐年擴大趨勢。然而，目前尚無甘薯小象甲的有效抗性資源，主要采取大量施用農(nóng)藥等化學防治，不但增加生產(chǎn)成本，還導致環(huán)境污染與食品安全等問題。因此，發(fā)掘甘薯自身的抗蟲基因資源，開展抗性分子機制研究，促進抗蟲技術開發(fā)和抗性品種選育，是解決甘薯小象甲蟲害最為經(jīng)濟環(huán)保且可持續(xù)的發(fā)展方向，也是當前甘薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切需求。

近年來，中國科學院華南植物園侯興亮研究員帶領植物發(fā)育與品質(zhì)調(diào)控研究團隊聚焦甘薯重要性狀遺傳基礎與高效精準育種技術的研究。由于甘薯小象甲抗性的研究基礎非常薄弱，甘薯抗蟲資源多樣性不高，導致抗蟲機制研究進展緩慢，有“薯道難”之稱。面對此問題，侯興亮團隊通過與廣東海洋大學研究人員合作，花費多年在蟲害流行嚴重的華南地區(qū)搜集不同的甘薯材料，并進行抗蟲評價。歷經(jīng)三年田間篩選，獲得了兩份珍貴的甘薯小象甲高抗種質(zhì)。之后，他們利用抗感種質(zhì)構(gòu)建F1遺傳群體，同時克服了控制條件下抗蟲表型難檢測、不穩(wěn)定的困難，建立了穩(wěn)定的甘薯小象甲抗蟲可控評價體系，最終成功定位并克隆了兩個甘薯小象甲抗性關鍵基因SPWR1（Sweet Potato Weevil Resistance 1）和SPWR2。值得注意的是，研究者們還克服了甘薯遺傳轉(zhuǎn)化操作難、轉(zhuǎn)化率低、周期長的問題，利用甘薯自身快速增生能力，配合根癌農(nóng)桿菌（非發(fā)根農(nóng)桿菌）定向注射手段，開發(fā)了一種高效穩(wěn)定的新型甘薯遺傳轉(zhuǎn)化方法。隨后，大量的甘薯遺傳材料證明了SPWR1和SPWR2均正向調(diào)控甘薯小象甲抗性；多種生理生化實驗表明甘薯小象甲侵害可誘導SPWR1編碼的WRKY轉(zhuǎn)錄因子特異結(jié)合抗性等位基因SPWR2啟動子的W-box元件，從而激活后者的基因表達；而SPWR2編碼的蛋白是甘薯奎尼酸合成途徑的關鍵酶，其進一步啟動了下游奎尼酸衍生物的生物合成，以此抵御甘薯小象甲侵害。進一步的昆蟲理化實驗也證明攜帶有1-羥基-奎尼酸基團的衍生化合物均表現(xiàn)出對甘薯小象甲腸道消化酶和活動的抑制活性。

目前農(nóng)業(yè)上尚無小象甲甘薯抗性品種培育，此項研究創(chuàng)制的種質(zhì)在顯著提高抗性的同時并未降低品種原有產(chǎn)量和品質(zhì)，填補了國際上甘薯小象甲抗性種質(zhì)開發(fā)利用的空白。值得一提的是，奎尼酸及其衍生物在甘薯的內(nèi)源濃度下不具有對人體的藥理毒性，且在自然環(huán)境中不易殘留，含有高水平奎尼酸的天然抗蟲變異品種抗蟲性強大，展示出一種有潛力的、兼具環(huán)境友好型和資源節(jié)約型的農(nóng)業(yè)抗蟲方案。總之，該研究不僅首次克隆了甘薯天敵害蟲的天然抗性基因，還揭示了其下游天然抗蟲物質(zhì)的調(diào)控機理，為甘薯小象甲田間防治手段提供了新方向和新思路，對推進高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)多抗的甘薯分子育種，促進特色高值生態(tài)農(nóng)業(yè)關鍵技術研發(fā)和成果轉(zhuǎn)化，帶動甘薯產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展和農(nóng)民增產(chǎn)增收，具有重要意義。

相關成果近期以封面故事發(fā)表在國際權威植物學期刊Nature Plants（《自然植物》）上。中國科學院華南植物園的劉旭副研究員為論文的第一作者，中國科學院華南植物園的王亞如碩士、梅果果碩士生、廖茵茵博士及廣東海洋大學朱宏波副教授為論文的共同第一作者，華南植物園侯興亮研究員為論文的通訊作者。研究得到了國家自然科學基金-廣東省聯(lián)合基金和廣東省特支計劃青年拔尖人才等項目支持。鏈接：www.nature.com/articles/s41477-022-01272-1