摘要
甘薯(Ipomoea batatas)是世界重要块根类作物，为满足当代农业对资源多样性和品质抗性育种的需求，甘薯遗传资源发掘和种质创制显得尤为重要。 在本篇研究中，我们关注甘薯生产重大威胁之一甘薯小象甲(Sweet Potato Weevil,SPW)虫害的自然抵抗机制和相关抗虫化合物应用，以及快速遗传转化体系的建立。通过前期甘薯小象甲抗性种质的筛选和遗传位点的图位克隆，我们对所获得的两个候选抗性基因Sweet Potato Weevils Resistance 1(SPWR1)和SPWR2进行了功能验证和调控机制解析。遗传结果证实SPWR1和SPWR2是甘薯天然防御SPW的重要调节因子，两者的自然等位变异赋予了抗性品种N73的天然抗虫性。进一步研究结果表明，在SPW侵袭甘薯过程中，诱导表达的SPWR1编码一个功能性的WRKY转录因子SPWR1,通过结合SPWR2启动子上特异W-box元件直接转录激活SPWR2的表达，而SPWR2编码一种保守功能性的脱氢奎宁酸合成酶，进一步促进下游奎宁酸及其衍生物的积累，从而提高了甘薯对SPW的抗性。外施生理浓度的奎宁酸及其相关化合物可明显提升甘薯植株和贮藏薯块的甘薯小象甲抗性，1-羟基功能团是奎宁酸及其衍生物抑制SPW生理和消化活性的关键，且对于不同昆虫具有广谱抗性效果，具有作为绿色抗虫剂的潜在应用价值。以上研究过程中，我们同时开发了一种高效、便捷的植物遗传转化系统(Regenerative Activity-dependent in Planta Injection Delivery,RAPID)。该方法通过注射茎段或块根的方式，将根癌农杆菌递送转染至植物分生组织诱导的再生组织，再通过阳性再生组织的后续营养繁殖获得稳定的转基因植物。我们首先借助RAPID体系在甘薯中成功获得可继代的转化子，并进一步优化了农杆菌种类、侵染体系及筛选策略等参数，实现了不同递送载体和基因编辑工具的高效转化。RAPID方法已成功应用于再生能力强的多种经济植物，包括不同甘薯品种、马铃薯(Solanum tuberosum)和厚藤(Ipomoea pes-caprae)。RAPID具有转化效率高(高达40％)、周期短(不到4周)、且不需要组织培养过程的优点，它克服了传统植物遗传转化方法的局限性，具有广泛的应用潜力。 综上所述，我们利用遗传学、生物化学、植物及昆虫生理学、分子生物学等多种联合手段解析了一对甘薯小象甲抗性相关基因SPWR1和SPWR2的功能。研究结论表明SPWR1-SPWR2转录级联分子模块直接激活奎宁酸及其衍生物的生物合成，从而赋予甘薯对SPW的天然抗性。该级联途径将甘薯对SPW抗性应答的转录分子调控与下游合成代谢通路紧密联系起来，系统解析了甘薯防御天敌害虫甘薯小象甲的天然抗性机制，不仅为甘薯与甘薯小象甲相互作用的分子机制提供了新的认知，也为未来实现环境友好型的全球甘薯小象甲虫害绿色防控提供重要理论依据。另一方面，我们利用甘薯为模式建立了一种基于植物主动再生能力的高效便捷植物遗传转化体系RAPID,其具有转化率高、转化周期短、易于操作等的优点。目前RAPID方法已在多种再生能力强的植物中实现高效遗传转化，可作为对无性繁殖植物进行遗传改造的潜在应用工具。
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