JIPB 特约综述 | 中国农业科学院蔬菜花卉研究所张友军院士/郭兆将研究员团队系统总结植物抗虫“四维协同防御”新理论

植食性昆虫是威胁全球农业生产最严重的生物胁迫之一, 每年造成约10%–20%的粮食损失和30%–40%的蔬菜减产, 严重影响粮食安全与农业可持续发展。长期以来, 农业生产主要依赖化学农药控制害虫, 尽管短期内效果显著, 但由此引发的环境污染、非靶标生物伤害及害虫抗药性快速演化, 正使传统防控模式面临严峻挑战。

相比之下, 植物在亿万年的进化过程中形成了高度复杂且高效的天然抗虫防御体系, 能够通过结构屏障、化学物质、防御信号及生态互作等多层级机制抵御昆虫侵害。深入解析植物抗虫机制, 不仅是理解植物—昆虫协同进化的重要基础, 更为绿色防控技术创新和抗虫作物育种提供了关键理论支撑和基因资源。

近日, 中国农业科学院蔬菜花卉研究所郭兆将研究团队在JIPB在线发表了题为“Plant strategies against herbivorous insects”的特邀综述论文 (https://doi.org/10.1111/jipb.70209)。该论文系统梳理了过去两百年来国内外植物抗虫研究领域的发展历程, 从早期田间观察到分子机制解析, 再到抗虫基因鉴定与分子设计育种, 全面总结了植物抗虫研究的理论突破与技术进展 (图1)。

图1 植物抗虫研究发展历程中的重要里程碑

该研究首次系统提出植物抗虫“四维协同防御”理论体系, 从结构、化学、生态和行为四个层面全面阐释植物的抗虫策略: (1) 物理防御: 构建抵御昆虫的结构屏障。植物通过表皮毛、角质层加厚、木质素沉积及硅元素沉积等结构特征, 有效阻碍昆虫附着、取食及侵入, 形成第一道防线。(2) 化学防御: 合成天然抗虫活性物质。植物可产生萜类、酚类、生物碱、皂苷及硫代葡萄糖苷等次生代谢物, 以及蛋白酶抑制剂等抗虫蛋白, 对昆虫产生驱避、毒杀及消化干扰作用。(3) 生态调控防御: “召唤天敌”的间接防御策略。植物在遭受昆虫取食时可释放挥发性有机物，精准招募寄生蜂等天敌, 从而形成“以虫治虫”的生态防御体系, 同时还能激活邻近植物的防御反应。(4) 行为防御: 通过形态与生长策略调整降低受害风险。植物可通过调节生长节律、形态结构及资源分配策略, 降低昆虫识别与取食概率, 实现防御与生长的动态平衡。而且, 上述防御机制并非独立发挥作用, 而是在复杂信号网络 (如茉莉酸JA信号通路) 的调控下协同运行, 共同构建高效抗虫防御体系 (图2)。

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