王法律，林東江，王亞如，王錦達(dá)

（福建農(nóng)林大學(xué)國家甘蔗工程技術(shù)研究中心，福州 350002）

0 引言

甘蔗是重要的糖料作物及能源作物，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有重要的作用。為害甘蔗的害蟲達(dá)360多種[1],其中可以分為鉆蛀性害蟲、刺吸性害蟲、食葉害蟲以及地下害蟲。其中以鉆蛀性螟蟲最為嚴(yán)重，在中國主要有 條 螟 (Chilo sacchariphagus)、二 點(diǎn) 螟 (Chiloinfuscatellus)、黃螟(Argyroploce schistaceanaSnellen)、白螟(Scirpophag aexcerptalis)和大螟(Sesamia inferens)[2]。螟蟲幼蟲鉆入甘蔗的生長點(diǎn)部位，造成枯心苗；在生長中后期則以為害蔗莖為主，不僅破壞莖內(nèi)組織，而且降低糖分，影響品質(zhì)，并很容易造成風(fēng)折或枯梢導(dǎo)致產(chǎn)量嚴(yán)重降低。目前生產(chǎn)上主要是依靠化學(xué)農(nóng)藥來防治甘蔗害蟲，此外巴西等國家已經(jīng)得到了轉(zhuǎn)Bt基因的抗蟲甘蔗[3]。由于長期使用、重施農(nóng)藥，用藥選擇性少，類型單一，甘蔗害蟲抗藥性逐年升高；此外，Bt毒素也僅對(duì)鱗翅目等幾種特異性昆蟲有毒害作用，防治范圍有限，另外轉(zhuǎn)基因作物的環(huán)境和食品安全也是一個(gè)不容忽視的問題[4]。利用甘蔗自身抗蟲特性選育抗蟲品種，是目前公認(rèn)減少蟲害最根本、經(jīng)濟(jì)有效和對(duì)環(huán)境影響最少的辦法。利用品種對(duì)害蟲的不敏感性，對(duì)害蟲種群實(shí)施控制，不但有利于害蟲的防治，也有利于減少環(huán)境污染、維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡。近年來，國內(nèi)外研究人員在甘蔗的物理形態(tài)抗性、生理生化抗性等甘蔗抗蟲機(jī)制上的研究取得了較大的進(jìn)展[5]，并根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)鑒定了不同的抗蟲甘蔗等級(jí)。本文就甘蔗對(duì)害蟲的抗性等級(jí)評(píng)價(jià)和目前甘蔗抗蟲機(jī)制的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期為甘蔗蟲害控制培養(yǎng)抗蟲甘蔗品種提供理論參考。

1 甘蔗的抗蟲等級(jí)及其鑒定

研究表明，不同甘蔗品種具有不同程度的抗蟲性。不同地區(qū)甘蔗品種的抗蟲性也不盡相同。針對(duì)甘蔗抗蟲能力，可將甘蔗抗蟲能力分為不同等級(jí)。目前主要采用田間鑒定的方法進(jìn)行抗性鑒定，而由于環(huán)境的不同與甘蔗本身的特性，對(duì)于抗性等級(jí)的劃分復(fù)雜多樣，抗性指標(biāo)也很多。大多數(shù)將抗蟲等級(jí)分為6 級(jí)與4 級(jí)。而使用的抗性評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有甘蔗枯心率、甘蔗株（莖）蛀蟲孔率、甘蔗受害率、甘蔗蟲害莖率、蟲害節(jié)率等。筆者主要使用6 級(jí)分類方法，對(duì)不同甘蔗品種的抗性進(jìn)行評(píng)價(jià)劃分，詳情見表1。

由表1 中數(shù)據(jù)可以看出，不同甘蔗品種在不同的地區(qū)可能存在不同的抗蟲等級(jí)，如‘ROC22’在福建表現(xiàn)為抗[10]，在廣西表現(xiàn)為中感[8]，在柳州和來賓地區(qū)表現(xiàn)為感[9]，其原因可能是不同地區(qū)環(huán)境條件的不同，害蟲表現(xiàn)的特征也不同。此外，評(píng)價(jià)指標(biāo)的不同也會(huì)對(duì)抗性鑒定產(chǎn)生影響，造成同一品種不同地區(qū)抗性表現(xiàn)不同。不同的肥水管理水平也會(huì)對(duì)甘蔗抗性造成影響[12]。目前國內(nèi)外學(xué)者評(píng)估甘蔗抗蟲性主要根據(jù)受害莖節(jié)百分率，通過田間鑒定甘蔗生長中后期的螟害[9]。國內(nèi)甘蔗抗螟蟲鑒定還通過調(diào)查苗期枯心率[11]，生長中后期螟害株率、蟲蛀孔數(shù)以及螟害節(jié)進(jìn)行鑒定。但是這些標(biāo)準(zhǔn)主要是定性評(píng)價(jià)[9]，不能做到定量評(píng)價(jià)。如何能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)甘蔗的抗蟲等級(jí)，能否從甘蔗的物理結(jié)構(gòu)與化學(xué)成分入手做到定量評(píng)價(jià)，仍要深入研究甘蔗的特征特性。未來可以結(jié)合分子生物學(xué)方法進(jìn)行研究測(cè)定，從而制定定量標(biāo)準(zhǔn)。

表1 甘蔗抗蟲等級(jí)表

續(xù)表1

2 植物的抗蟲防御機(jī)制

地球上約有150 萬種昆蟲，而地球上的植物僅約50萬種。植物與昆蟲互相作用，各自形成了獨(dú)特的適應(yīng)和防御機(jī)制，植物能夠使昆蟲少吃或不吃，甚至是使昆蟲的生長率水平降低等。在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中，植物對(duì)昆蟲的防御機(jī)制和植食性昆蟲的取食能力的進(jìn)化是協(xié)同的、連續(xù)的，植物形成的特異防御機(jī)制增強(qiáng)了植物的生存能力和適應(yīng)性（圖1）。

3 甘蔗的物理抗蟲機(jī)制

不同品種的甘蔗對(duì)蟲害有不同程度的抵抗能力，甘蔗抵御蟲害的第一道防御機(jī)制就是自身的物理結(jié)構(gòu)特性決定的。甘蔗的節(jié)間表皮硬度、纖維含量、表皮蠟狀物[13]、硅含量等，都是影響甘蔗物理抗蟲能力的重要因子。

3.1 甘蔗的節(jié)間表皮硬度

作物器官硬度是與作物品質(zhì)、加工性能、成熟度、商品率和耐貯運(yùn)性等有密切關(guān)系的數(shù)量性狀，在農(nóng)作物育種和品質(zhì)評(píng)價(jià)中得到廣泛的應(yīng)用[14-15]。甘蔗表皮堅(jiān)硬，其節(jié)間表皮硬度是一個(gè)重要的遺傳指標(biāo)。不同甘蔗品種節(jié)間表皮硬度差異很大，在甘蔗的品種選育、栽培選擇及評(píng)價(jià)判斷的標(biāo)準(zhǔn)中，節(jié)間表皮硬度已經(jīng)成為一個(gè)重要的指標(biāo)。有研究指出，節(jié)間表皮硬度與甘蔗的抗蟲性有重要聯(lián)系。以螟蟲為例，通過對(duì)72個(gè)抗性/感性品種對(duì)螟蟲的田間抗性研究，發(fā)現(xiàn)節(jié)間表皮硬度與每根甘蔗的受害莖節(jié)數(shù)、螟蟲數(shù)呈顯著的負(fù)相關(guān)[16]。任大方等[17]研究發(fā)現(xiàn)，甘蔗的節(jié)間表皮硬度對(duì)甘蔗的抗螟蟲性有一定的影響，抗螟蟲品種的外皮硬度明顯比感蟲材料高。影響表皮硬度的因素有很多，硅細(xì)胞含量、纖維細(xì)胞含量與表皮硬度呈正相關(guān)。

3.2 甘蔗的纖維含量

研究表明，纖維含量與植物葉與莖的韌性正相關(guān)[18]。纖維含量與強(qiáng)度與纖維素含量、半纖維素含量以及木質(zhì)素含量有關(guān)。纖維素是大分子多糖，是細(xì)胞壁的主要成分。半纖維素包含木糖、阿拉伯糖、甘露糖與半乳糖等，木質(zhì)素是一種復(fù)雜的酚類聚合物，填充在纖維素構(gòu)架中用于增強(qiáng)植物體的機(jī)械強(qiáng)度，利于輸導(dǎo)組織水分的運(yùn)輸及抵抗不良的環(huán)境[19]。在抗蟲害機(jī)制中，纖維含量高、機(jī)械韌性強(qiáng)的甘蔗對(duì)蟲害的抵抗能力強(qiáng)于纖維含量低、機(jī)械韌性弱的甘蔗。

3.3 甘蔗的表皮蠟狀物

甘蔗表皮蠟狀物是覆蓋在甘蔗莖最外層的不溶于水而溶于有機(jī)溶劑的有機(jī)混合物的總稱。植物的蠟質(zhì)層分為內(nèi)外2 層，填充在角質(zhì)層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之內(nèi)的是內(nèi)蠟質(zhì)層，在角質(zhì)層外又形成蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)，是外蠟質(zhì)層，形成了植物與外部環(huán)境及病蟲害之間的屏障，從而達(dá)到保護(hù)植物的效果[20]。植食性昆蟲取食甘蔗，甘蔗表皮蠟狀物會(huì)對(duì)其取食造成影響，進(jìn)而緩解蟲害問題。

3.4 硅含量

甘蔗是禾本科植物，與水稻一樣，硅在甘蔗的抗性中起重要的作用。硅含量的增加或組織硅細(xì)胞的增加，可以增加蔗莖硬度、降低螟蟲的消化率和對(duì)植株組織的咀嚼性，同時(shí)增加誘導(dǎo)螟蟲天敵的可揮發(fā)性物質(zhì)和與天敵生長發(fā)育相關(guān)的游離氨基酸等[21-22]。對(duì)于一些品種的甘蔗與昆蟲體系，硅在抗蟲機(jī)制中主要表現(xiàn)在硅能夠提高甘蔗莖皮硬度，降低植食性昆蟲取食的適口度，引起昆蟲下顎受損[23]，進(jìn)而保護(hù)甘蔗植株。

4 甘蔗的生理生化抗蟲機(jī)制

甘蔗的生理生化抗蟲機(jī)制可以分為2 類，即組成型生理生化防御體系與誘導(dǎo)型生理生化防御體系。組成型防御是植物依賴自身固有特性來對(duì)昆蟲取食行為進(jìn)行防御，是植物與生俱來的，外界環(huán)境發(fā)生改變對(duì)其影響不大，在植物體持續(xù)發(fā)揮作用。誘導(dǎo)型防御是植物因昆蟲取食這一行為而產(chǎn)生某種物質(zhì)或某種反應(yīng)來避免被取食或傷害，從而達(dá)到防御的目的，這是在植物受到外界損傷后才表現(xiàn)出的防御反應(yīng)[24]。

4.1 甘蔗的組成型生理生化防御體系

研究表明，不同品種的甘蔗抗蟲能力不同。對(duì)于宿根性優(yōu)良的甘蔗，不同植期的甘蔗抗蟲能力不同。通過對(duì)南非8個(gè)宿根甘蔗和22個(gè)新植蔗對(duì)螟蟲的抗性研究發(fā)現(xiàn)，新植蔗的抗性較宿根蔗強(qiáng)，且螟蟲偏好于更衰老的蔗莖，可能與含有更高的氮素含量有關(guān)[25]。施用硅肥的甘蔗抗蟲能力提高，可以有效阻礙甘蔗蛀莖螟的鉆蛀行為[21]。此外，甘蔗薊馬偏好取食糖含量高的甘蔗汁[26]，一些碳水化合物在一定程度上影響害蟲的發(fā)生[27]。還有研究表明，植物的油脂與灰分與其抗性有關(guān)[28]。研究表明，植物體內(nèi)保護(hù)性酶和蛋白酶抑制劑對(duì)植物抗性有一定程度的影響[29-30]。甘蔗體內(nèi)多酚氧化酶(PPO)活性的提高利于合成酚類等化合物，產(chǎn)生蛋白抑制素，這些物質(zhì)直接干擾害蟲的取食、惡化營養(yǎng)環(huán)境以及干擾害蟲的正常生長、發(fā)育直至死亡，導(dǎo)致害蟲田間種群數(shù)量下降[31]。蛋白酶抑制劑主要包括有胰蛋白酶抑制劑(trypsin inhibitor，TI)和胰凝乳蛋白酶抑制劑(chymotrypsin inhibitor，CI)[32]。

4.2 甘蔗的誘導(dǎo)型生理生化防御體系

在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中，植物對(duì)昆蟲的防御機(jī)制和植食性昆蟲的取食能力的進(jìn)化是協(xié)同的、連續(xù)的，植物形成的特異的防御機(jī)制增強(qiáng)了植物的生存能力和適應(yīng)性（圖1）。

4.2.1 甘蔗的次生代謝物質(zhì) 植物次生代謝產(chǎn)物(secondary metabolites)是由植物通過次生代謝途徑合成的小分子有機(jī)化合物[33]。在之前的研究中，人們長時(shí)間認(rèn)為次生代謝產(chǎn)物是一種無用的代謝廢物，隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)次生代謝物的種類多樣、結(jié)構(gòu)迥異、功能復(fù)雜[34]。比如在中藥中，次生代謝物往往是其主要的有效藥效成分[35]。對(duì)于植物來說，次生代謝產(chǎn)物主要有萜烯類物質(zhì)、酚類物質(zhì)、含氮化合物3 類[36-37]。次生代謝物質(zhì)可以發(fā)揮組成型防御的作用，同時(shí)也能發(fā)揮誘導(dǎo)型防御的作用。植物在受到蟲害后，酚類化合物含量明顯提升[38]。此外，蟲害誘導(dǎo)植物產(chǎn)生的揮發(fā)物中，萜烯類物質(zhì)是其中最主要的組成成分[39]。在李奕震等[40]的研究中，栗樹芽?jī)?nèi)酚類物質(zhì)含量與抗栗癭蜂性狀有極顯著相關(guān)性，在所測(cè)的7個(gè)栗樹品種中，陽山油栗芽?jī)?nèi)酚類物質(zhì)含量最高，其栗癭蜂蟲癭百分率最低，而日本栗芽?jī)?nèi)酚類物質(zhì)含量最低，其栗癭蜂蟲癭百分率也就最高。對(duì)于甘蔗酚類物質(zhì)的作用，如今的研究并不多。有研究表明，甘蔗葉多酚含量提高，有利于甘蔗整體抗性的提高[41]。萜烯類化合物是植物次生代謝的重要產(chǎn)物，種類繁多。根據(jù)這些萜類的結(jié)構(gòu)骨架中包含的異戊二烯單元的數(shù)量，可分為單萜(monoterpenoid C10)、倍半萜(sesquiterpenoid C15)、二萜(diterpenoid C20)和三萜(triterpenoid C30)等。它們通常屬于植物的植保素，雖不是植物生長發(fā)育所必需的化合物，但在調(diào)節(jié)植物與環(huán)境之間的關(guān)系上發(fā)揮重要的生態(tài)功能。植物的芳香油、樹脂、松香等便是常見的萜類混合物[42]。含氮化合物主要是生物堿等物質(zhì)，大多數(shù)生物堿對(duì)昆蟲具有毒性，昆蟲取食植物后生物堿在害蟲體內(nèi)長期積累延緩昆蟲發(fā)育，或?qū)ι沉υ斐捎绊懮踔了劳鯷43]。研究表明，除植物體正常次生代謝產(chǎn)生外，機(jī)械損失和蟲害是2 種誘因。昆蟲取食植物，其唾液內(nèi)Volicitin 與β-葡萄糖苷酶都可以成為誘發(fā)植物釋放次生代謝物質(zhì)的激發(fā)子[33]。研究表明，甘蔗的某些生理生化因子，如單寧酸等次生物質(zhì)可抑制螟蟲的生長發(fā)育，而必需氨基酸和蛋白質(zhì)可為螟蟲的生長發(fā)育提供必需的營養(yǎng)物質(zhì)，因此如植株內(nèi)缺乏某些必需氨基酸和蛋白質(zhì)則不利于螟蟲的生長發(fā)育[5]。芽鱗氯原酸和類黃酮、單寧酸、氮素和必需氨基酸與抗蟲性直接相關(guān)。對(duì)于蟲害與甘蔗次生代謝物質(zhì)關(guān)系研究還不是特別多，但有理由相信，次生代謝物在甘蔗抗蟲機(jī)制中發(fā)揮著重要的作用。并且，一些次生代謝物質(zhì)在信號(hào)傳導(dǎo)中也起到重要作用。

4.2.2 甘蔗的信號(hào)傳遞 植物信號(hào)有2 種類型，即外源信號(hào)（機(jī)械傷害、取食損傷、病菌入侵）與內(nèi)源信號(hào)（Jas、SA、ET 等），內(nèi)源信號(hào)只有經(jīng)過外源信號(hào)的作用才能產(chǎn)生并發(fā)揮作用[44]。JAs包括JA及其前體化合物（如12-oxophy-todienoic acid，OPDA）或衍生物（如jasmonicacidisoleucine，JA-Ile），是參與植物對(duì)昆蟲防御應(yīng)答的主要植物激素[33]。茉莉素及其衍生物誘導(dǎo)植物抗蟲性在番茄、煙草、馬鈴薯、水稻、小麥、楊樹等多種作物中得到證實(shí)[45]。在龔恒亮等[45]的研究中，甘蔗苗經(jīng)噴施茉莉酸甲酯(MeJA)和機(jī)械損傷處理后，對(duì)莖、葉組織中的化感物質(zhì)進(jìn)行氣相分析得出：甘蔗植株經(jīng)MeJA 和機(jī)械損傷誘導(dǎo)后可產(chǎn)生明顯的應(yīng)答反應(yīng)。由茉莉酸甲酯引起的應(yīng)答反應(yīng)究竟會(huì)對(duì)甘蔗的抗蟲性產(chǎn)生哪些影響還需進(jìn)一步研究。此外，研究表明，茉莉酸甲酯的誘導(dǎo)作用可以明顯提高甘蔗多酚氧化酶的活性[31]。而多酚氧化酶的活性與植物抗蟲性有密切關(guān)系。針對(duì)茉莉酸類物質(zhì)的信號(hào)通路，研究表明，外界脅迫如蟲害、干旱等均可誘導(dǎo)JA 的合成，并且絲裂原活化蛋白激酶(WIPK)是茉莉酸介導(dǎo)中傷信號(hào)的重要成分，JA 合成需要WIPK[46]。茉莉酸類化合物對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控存在2 種機(jī)制：一種是經(jīng)典信號(hào)通路包括COI1 和JAR1，2 種環(huán)戊酮酸OPDA 和JA 均參與這一信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，激活或抑制相關(guān)基因的表達(dá)；另一種機(jī)制只涉及OPDA[47]。JAZ(Jasmonate ZIM-domain)蛋白家族的發(fā)現(xiàn)使人們提出JAZs 調(diào)控的JA 信號(hào)傳遞模式[48]。此模式涉及JA-Ile 的合成、SCFCOI1 與JAZ 蛋白的結(jié)合、MYC2 的釋放。在植物沒有受到外界脅迫時(shí)，JAZ 蛋白與MYC2 結(jié)合，使MYC2 不能失活，不能啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄。當(dāng)植物受到外界脅迫，植物體內(nèi)合成大量JA，JA 在依賴ATP 作為能量的腺苷酸形成酶JAR1(Jasmonic acid resistant 1)的作用下形成JA-Ile，JA-Ile 可以促進(jìn)SCFCOI1 與JAZ 蛋白形成復(fù)合體，釋放MYC2，啟動(dòng)基因表達(dá)，響應(yīng)外界脅迫[49]。根據(jù)顧小軍等[33]的研究，植物通過昆蟲相關(guān)激發(fā)子調(diào)控防御反應(yīng)，植物細(xì)胞膜識(shí)別激發(fā)子如Volition，次生代謝物合成，從而影響植物抗蟲性。許多研究都表明，茉莉酸類物質(zhì)有利于提高植物體內(nèi)相關(guān)酶如過氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)等的活性，提高植物抗蟲能力[50-52]。關(guān)于茉莉酸通路與植物抗蟲的關(guān)系見圖2。

研究表明，甘蔗經(jīng)過水楊酸處理后體內(nèi)可溶性糖含量提高[53]。研究認(rèn)為，害蟲對(duì)甘蔗的為害程度與其含糖量呈密切正相關(guān)；可溶性糖含量高的寄主植物更加適宜植食性昆蟲的消化[28]。所以水楊酸可能對(duì)甘蔗抗蟲起負(fù)作用，相關(guān)研究需更深入展開。乙烯是植物激素的一種，具有多種生理作用。乙烯的生物合成是昆蟲取食植物后植物的一種應(yīng)答反應(yīng)[54]，乙烯對(duì)植物抵御生物脅迫起到廣泛的調(diào)控作用[55]。乙烯除了自身可以參與某些植物抵御生物脅迫，也可對(duì)JA誘導(dǎo)的應(yīng)答進(jìn)行調(diào)控[33]。目前對(duì)甘蔗乙烯基因的研究中，對(duì)乙烯在甘蔗抗蟲機(jī)制中發(fā)揮的作用研究較少。相信隨著研究的深入，乙烯在甘蔗抗蟲體制中的作用一定會(huì)被研究清楚。目前許多試驗(yàn)表明，茉莉酸類生物合成受損或感知缺陷型的植物，其防御性次生代謝產(chǎn)物的積累受到嚴(yán)重影響，因此減弱了這類植物對(duì)植食昆蟲的抵抗力[56]。但是水楊酸類物質(zhì)與乙烯并未被證實(shí)直接參與調(diào)控植物次生代謝物質(zhì)[33]。

5 展望

目前對(duì)甘蔗的抗蟲機(jī)制的研究還不夠透徹，對(duì)抗蟲等級(jí)的劃分也沒有定量的指標(biāo)。隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)的發(fā)展，更多甘蔗抗蟲機(jī)制的機(jī)理會(huì)被人們發(fā)現(xiàn)。對(duì)于甘蔗抗蟲工作的開展，應(yīng)該圍繞甘蔗的物理以及生理生化性狀及途徑方面進(jìn)行。（1）從前人的研究看，轉(zhuǎn)基因甘蔗的效果并不顯著（如巴西的轉(zhuǎn)bt基因的抗蟲甘蔗），這也說明在甘蔗轉(zhuǎn)基因育種方面仍然有很多工作需要開展。結(jié)合轉(zhuǎn)基因技術(shù)以及新的育種技術(shù)，充分挖掘抗蟲基因并培養(yǎng)轉(zhuǎn)基因甘蔗，是未來甘蔗抗蟲的研究重點(diǎn)。（2）要在品種與環(huán)境之間的相互關(guān)系方面進(jìn)行相關(guān)研究，以期達(dá)到品種與環(huán)境的符合。（3）今后應(yīng)該著重研究甘蔗次生代謝物質(zhì)在防御蟲害中的作用，并且在甘蔗內(nèi)茉莉酸類物質(zhì)、水楊酸類物質(zhì)和乙烯甘蔗受蟲害之后生理生化變化深入研究，揭示其完整途徑，為甘蔗防治害蟲工作提供參考。