2025, Vol. 37 
(2 江西农业大学农学院, 南昌 330045)
 郭建平，华中农业大学生命科学技术学院教授，作物遗传改良全国重点实验室和湖北洪山实验室研究员、博士生导师，国家自然科学基金青年基金(B类)项目入选者。2009年获得长江大学学士学位，2017年获得武汉大学博士学位，2018—2023年在武汉大学从事博士后研究，2023年起在华中农业大学任职。致力于水稻抗虫基因的发掘与应用研究，在抗虫基因克隆、抗虫机理解析、种质创制等方面取得了较为系统的创新成果：首次鉴定了被植物免疫受体感知的昆虫唾液蛋白，阐明了BPH14-BISP-NBR1通过细胞自噬平衡抗性与生长的分子机理；克隆了新型抗褐飞虱基因Bph6，揭示了Bph6调控细胞外泌强化细胞壁的抗虫新机制；创制的含Bph6抗虫新种质和开发的功能标记育种价值大，助推选育了多个水稻新品种。在Nature、Nature Genetics等核心学术期刊发表多篇论文。获发明专利授权4项、国家技术发明奖二等奖1项 |
(2 School of Agricultural Science, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China)
绿色植物是生态系统的初级生产者，通过太阳光获取能量，将大气中的二氧化碳转化成碳水化合物，利用从土壤中吸收的矿质营养物质，最终合成各种物质以维持生命和繁衍后代，同时也是气候调节、生态平衡维护的重要参与者。昆虫是地球上物种数量最多的一个类群。据保守估计，在地球上被命名的物种组成中，植物占16%，昆虫占60%(约100万种昆虫)，其中约46%的昆虫是植食性昆虫(以取食植物为生)[1]。植食性害虫(农业害虫)通过咀嚼植物组织(这类害虫被称为咀嚼式害虫)或者吸食植物汁液(这类害虫被称为刺吸式害虫)对农作物造成危害，是农业生产中最严重的生物灾害因子。据联合国粮农组织报告，每年有高达40%的全球作物产量因虫害而损失，入侵昆虫每年造成的损失至少为700亿美元[2]。因此，有效防治农业害虫的为害是保障我国和世界粮食安全的重大需求。
由于化学农药具有高效和快速等显著优点，在现代农业生产中，害虫的防治主要依赖化学杀虫剂。在一些作物生产中，必须反复多次使用多种农药才能控制病害虫的发展与危害。化学农药的广泛和不合理使用不仅增加了生产成本，而且造成环境污染、毒杀非靶标生物、农产品农药残留超标、害虫抗药性增强等问题。这些问题严重制约着农业的可持续发展。因此，需要更加绿色的害虫防控技术。其中，培育和种植抗虫品种是国际上公认的防治害虫的经济、有效且环境友好的措施。
水稻是我国最重要的主粮作物。虫害历来是影响水稻生产的一个重要因素，对我国粮食生产安全构成重大威胁。据统计，我国每年因稻飞虱危害平均损失稻谷约120万吨，占病虫害总损失的29.3%，居于水稻各种病虫害之首[3]。提高水稻自身抗虫性、培育和种植抗虫绿色品种控制害虫，是经济、绿色的首选措施，也符合国家农业绿色发展要求。尽管20世纪60年代国际水稻研究所就开始了水稻抗褐飞虱研究，然而与水稻抗病研究相比，水稻抗虫研究相对落后，总体进展缓慢。我国水稻抗褐飞虱研究工作开始于20世纪90年代，21世纪初我国科学家发表了多篇水稻抗褐飞虱基因定位研究的论文[4-6]，其后水稻抗褐飞虱研究进入高速发展阶段，取得了一系列重大突破，奠定了我国在水稻抗虫研究领域的国际领先地位。
1 水稻抗褐飞虱基因研究概况1969年，国际水稻研究所的科学家首次鉴定了水稻抗褐飞虱种质资源Mudgo[7]。几十年来，各国研究人员在野生稻和栽培稻中筛选出一系列抗褐飞虱种质资源，通过遗传分析从野生稻和栽培稻中定位了60多个抗褐飞虱位点[8]。2009年，武汉大学的科研团队应用图位克隆法分离了第一个水稻抗褐飞虱基因Bph14，在接下来的十多年中，国际同行们相继克隆了17个水稻抗褐飞虱基因。从染色体位置来看，这17个基因主要来源于10个位点，其中第12号染色体上克隆的8个基因为等位基因。从编码蛋白性质来看，多数抗褐飞虱基因编码CC-NB-LRR蛋白(coiled-coil, CC; nucleotide binding site, NB; leucine-rich repeat, LRR)和凝集素类受体激酶(lectin receptor-like kinase, LecRK)，如Bph14编码一个典型的CC-NB-LRR蛋白[9]，Bph3编码3个定位于细胞质膜的G型凝集素类受体激酶[10]，Bph6编码LRD (leucine-rich domain, LRD)蛋白[11]。上述研究结果揭示了水稻抗褐飞虱基因的性质和功能。下面对这些已经克隆的水稻抗褐飞虱基因、抗虫分子机理和育种应用作一简要概述。
2 水稻抗褐飞虱基因的克隆与机理解析 2.1 水稻抗褐飞虱基因的克隆 2.1.1 CC-NB-LRR类抗褐飞虱基因 2.1.1.1 Bph14编码一个典型的CC-NB-LRR抗性蛋白Bph14是国际上克隆的第一个抗褐飞虱基因[9]，来源于药用野生稻(Oryza officinalis)与栽培稻的渗入系B5[4, 6]。Bph14基因编码一个典型的CC-NB-LRR免疫受体蛋白。Bph14基因主要在水稻维管组织，尤其是韧皮部表达，且受褐飞虱取食诱导。亚细胞定位发现BPH14定位于水稻细胞质和细胞核中[9, 12]。
在生理层面，植物对害虫的抗性机制可分为排趋性(antixenosis)、抗生性(antibiosis)和耐受性(tolerance)。从抗虫机制来看，Bph14主要通过抗生性来发挥抗虫性。与在感虫水稻上取食相比，在Bph14水稻上取食后，褐飞虱的体重增加量显著减少，蜜露量明显降低，存活率也显著降低，群体生长率仅是取食感性品种的1/5。进一步利用电子刺探仪实时记录褐飞虱在水稻上的取食行为，显示褐飞虱在Bph14抗性品种上的总非刺探时间以及穿刺时间明显增加，韧皮部取食时间显著减少[13]，表明褐飞虱在Bph14抗性水稻中取食更少。研究结果回答了褐飞虱在抗虫品种上究竟是被“饿死”还是“毒死”的问题。那么是什么原因造成了褐飞虱在抗性品种上的取食时间减少呢？进一步的细胞学观察、分析发现，褐飞虱取食时，Bph14抗性水稻通过在维管束筛板上积累大量胼胝质堵塞筛管，使褐飞虱取食减少来发挥抗虫性 [9, 12, 13]。
2.1.1.2 Bph9及其等位基因Bph1、Bph2、Bph7、Bph10、Bph18、Bph21和Bph26编码一个CC-NB-NB-LRR蛋白Bph9最早在高抗褐飞虱农家种Pokkali中被发现并定位于12号染色体[14]。研究人员通过图位克隆法结合候选基因分析、转基因互补验证成功分离了Bph9基因。Bph9编码含有两个NB结构域的CC-NB-NB-LRR蛋白，该蛋白定位于水稻细胞内膜系统[14]。有意思的是，Bph26和Bph18也定位于12号染色体的同一位置，并且也被成功克隆[15, 16]。Bph26来源于栽培稻ADR52，也编码一个具有CC-NB-NB-LRR结构域的蛋白。序列分析确定Bph26和Bph2序列相同，是同一个基因[14]。Bph18在澳洲野生稻(O. australiensis)与栽培稻的染色体片段渗入系材料IR65482中被鉴定，定位于12号染色体，与Bph26和Bph9位于同一区域 [17]。同样地，利用图位克隆法成功分离了Bph18。序列分析发现Bph18也编码一个CC-NBS-NBS-LRR蛋白，含有两个NBS结构域[16]。
Bph9主要在维管束的木质部以及筛管周围的薄壁细胞中表达。Bph26和Bph18的组织表达模式与Bph9类似[14-16]。在抗性机制上，Bph9、Bph26和Bph18主要通过排趋性和抗生性共同发挥抗虫性[14-16]。在分子机理上，Bph9可以通过上调水杨酸(salicylic acid, SA)、茉莉酸(jasmonate, JA)和茉莉酸-异亮氨酸(jasmonyl-isoleucine, JA-Ile)的含量显著提高水稻对褐飞虱的抗性[14]。
通过对已发现基因的定位来看，Bph9所定位的12号染色体区域，除了Bph9、Bph26和Bph18外，还有另外4个抗褐飞虱基因：Bph1、Bph7、Bph10和Bph21[18]。序列比较发现这8个基因是同一个基因的复等位形式，根据序列的一致性具体可以分成四种等位型：即Bph1/9-1 (包括Bph1、Bph10、Bph18、Bph21)、Bph1/9-2 (包括Bph2和Bph26)、Bph1/9-7 (包括Bph7)、Bph1/9-9 (包括Bph9)。有意思的是，这些抗性基因对应的抗性谱也不一样，并且Bph9是抗性最好的一个位点[13]。进一步的进化分析发现，Bph9也是进化较早的一个位点，并且其LRR结构域可能与褐飞虱生物型的识别有关[14]。对Bph9及其等位基因的研究表明，抗褐飞虱基因的等位变异是水稻应对褐飞虱生物型变异的重要机制。
2.1.1.3 Bph37编码一个CC-NB抗性蛋白Zhou等[19]对来自世界范围的1 520份水稻品种进行水稻抗褐飞虱的全基因组关联分析(GWAS)，一共检测到17、27和39个分别与褐飞虱生物型Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ抗性显著关联的位点。为了克隆基因，他们对高抗性材料SE382与9311的F2群体进行了遗传分析，将SE382中的主效位点定位在第6染色体的1.20~2.10 Mb之间。该区间与第6染色体上的关联位点在1.20~1.57 Mb之间有重叠。基因预测和序列分析显示，L0C_0s06g03500是重要的候选基因。通过比较感虫品种Nipponbare、Kasalath和抗虫品种SE382中该基因的序列，发现SE382中该基因序列第二个外显子处具有1 bp的碱基插入，最终导致提前翻译终止。在SE382中该基因编码一个含有290个氨基酸残基的蛋白质，包含CC和NB结构域，缺少LRR结构域。将该基因转入感虫品种Nipponbare显著提高了转基因材料对褐飞虱的抗性。最终，这个基因被命名为Bph37[19]。该基因的抗虫机理还需进一步研究。
2.1.2 LecRK类抗褐飞虱基因 2.1.2.1 Bph15与Bph14一样，Bph15也来源于B5。为了排除Bph14的影响，Yang等[20]从B5/MH63的重组自交系中选择了一份只含有Bph15抗性基因的株系RI93，利用RI93构建F2群体，最终将Bph15定位在47 kb范围内。Cheng等[21]通过转基因互补的方法，发现其中的一个LecRK基因对褐飞虱有很好的抗性；序列分析发现Bph15编码一个G-类型的LecRK蛋白，由细胞外的凝集素结构域(lectin)、PAN/APPLE-类似结构域(PAN-AP)、跨膜结构域(TM)和细胞内的丝氨酸/苏氨酸激酶结构域(S-TKC)构成。除此之外，抑制LecRK基因的表达显著降低了种子的萌发率。
研究人员利用电子刺探仪实时记录了褐飞虱在Bph15水稻上的取食行为。统计结果显示，与取食对照材料(感虫)相比，褐飞虱在Bph15材料的韧皮部取食时间显著减少，但总非刺探时间以及穿刺时间明显增加[13]，表明Bph15水稻通过减少褐飞虱的取食来发挥抗虫性。
2.1.2.2 Bph3Bph3来源于斯里兰卡的地方品种Rathu Heenati，对褐飞虱具有广谱抗性[22]。利用Bph3培育的水稻品种在菲律宾推广种植了30多年，到现在，这些品种的抗性在菲律宾大部分地区依然有效，说明Bph3对褐飞虱有广谱持久抗性[23]。然而，该基因直到2015年才被成功克隆。Liu等[10]利用图位克隆法分离了第4号染色体的Bph3，确定了Bph3由3个OsLecRK (OsLecRK1、OsLecRK2、OsLecRK3)串联形成的一个基因簇构成：携带3个OsLecRK (OsLecRK1~3)的转基因株系对褐飞虱表现出高抗的表型；携带2个OsLecRK (OsLecRK2、OsLecRK3) 的转基因株系有50%的抗性；携带1个OsLecRK3的转基因后代只有25%的抗性。这个结果也与前人的研究结果类似：一个位点高度同源的抗性基因的成簇或者不同基因的拷贝数变异可以增强对生物或者非生物胁迫的抗性[24, 25]。
序列分析表明这3个LecRK蛋白与BPH15类似，均属于G-类型的LecRK蛋白家族，都定位在细胞质膜上。因此，推测Bph3可能作为一个病原模式识别受体(PAMPs recognition receptors, PRRs)起作用。但具体的功能和抗性机理还需要进一步的研究。
2.1.3 LRD类抗褐飞虱基因 2.1.3.1 Bph6编码一个含有两个LRD的新型抗虫蛋白Bph6基因最早在农家品种Swarnalata中被鉴定[26]。Qiu等[27]利用遗传学方法将Bph6基因定位在水稻第4染色体长臂上。Guo等[11]利用图位克隆法分离了Bph6。Bph6编码一个含981个氨基酸残基的新型蛋白质。序列分析表明，该蛋白不含有典型的结构域，但是含有两个LRD (leucine-rich domain)，该蛋白定位于Exocyst复合体中。RNA原位杂交结果显示Bph6主要在叶鞘和叶片的厚壁组织、维管束鞘和伴胞中表达，这些组织结构正是褐飞虱口针穿刺取食的必经部位[11]；进化分析发现，Bph6基因起源于野生稻并在亚洲热带地区的地方品种中保留[11]。
除了与Bph9类似通过上调SA、JA和JA-Ile的含量显著提高水稻对褐飞虱的抗性外，Bph6还能通过上调细胞分裂素(CK)，尤其是反式玉米素(cZ)的含量正调控水稻抗虫性[11]。这是首次发现CK在水稻抗虫中的功能。进一步研究发现，CK主要通过上调萜烯类植保素的含量在抗虫中发挥功能。除此之外，Bph6也通过排趋性和抗生性共同发挥抗虫性。Zheng等[28]发现，当褐飞虱取食含Bph6的水稻后，褐飞虱(若虫及成虫)增重显著降低、生长明显减缓、体型瘦小。组织切片观察显示，取食Bph6抗性水稻的褐飞虱脂肪体出现显著变化，表现为组织密度降低、脂滴体积减小及总脂质含量下降。进一步研究发现，褐飞虱通过上调甘油脂代谢通路关键基因的表达，加速将甘油三酯转化为磷脂酰胆碱和双半乳糖基二酰基甘油等膜脂成分，这一代谢重编程过程可能是其对宿主抗性的适应性响应。转录分析发现，取食含Bph6抗性水稻后，褐飞虱体重下降、生长变缓的原因是生长及发育相关基因的表达显著下降，且重编程了甘油脂类和甘油磷脂类等脂肪酸代谢相关基因的表达[28, 29]。
2.1.3.2 Bph30也编码一个含有两个LRD的新型抗虫蛋白为了挖掘更多的抗褐飞虱资源和广谱高抗褐飞虱基因，Wang等[30]对来自东南亚热带地区的500多份水稻地方品种进行了大规模抗褐飞虱鉴定，筛选了多份高抗材料，其中农家品种AC1613高抗褐飞虱，几乎不受褐飞虱侵害。利用褐飞虱增重作为抗虫性表型鉴定指标，将来自AC1613的抗褐飞虱基因初步定位在4号染色体短臂并命名为Bph30[30]。Shi等[31]利用图位克隆法成功分离了Bph30基因。该基因编码一个含有两个LRD的新型抗性蛋白。BPH30蛋白定位于内质网、液泡膜、囊泡。
作为典型的刺吸式昆虫，褐飞虱通常将口针刺入水稻叶鞘韧皮部吸食汁液获取营养。由于水稻叶鞘韧皮部位于叶鞘组织内部，难以直接刺入，因此褐飞虱如何准确找到韧皮部，一直是未解之谜。Shi等[31]通过连续切片、扫描电镜观察、原子力显微镜检测等，发现褐飞虱“聪明”地选择水稻叶鞘表面柔软的长形细胞带部位刺入水稻组织，从而达到取食维管束韧皮部汁液的目的。
RNA原位杂交显示Bph30在叶鞘的厚壁细胞中高表达[31]。叶鞘厚壁组织正好位于长形细胞带下方，是褐飞虱口针刺入韧皮部的必经之路。因此，Shi等[31]推测Bph30的抗虫机理与褐飞虱取食行为密切相关。通过切片观察和统计，与对照材料(感虫)相比，在Bph30材料中，穿过厚壁组织和到达韧皮部的口针鞘显著减少，表明Bph30材料的厚壁组织拦截了褐飞虱口器的穿刺。进一步通过对叶鞘厚壁组织细胞壁的厚度、硬度和成分进行测定和分析，发现与对照材料(感虫)水稻相比，Bph30材料中细胞壁的纤维素和半纤维素含量明显更高，细胞壁的硬度与厚壁组织的厚度也明显更高。综上，Bph30在水稻叶鞘厚壁组织中高表达，显著增加了厚壁组织细胞壁的硬度和厚度，形成了一道坚固的“物理屏障”，阻止褐飞虱取食，从而发挥抗褐飞虱功能。
2.1.3.3 Bph40编码一个LRD类的抗虫蛋白Bph40是Bph30的同源基因，位于4号染色体上，是Shi等[31]在对Bph30同源基因进行研究时发现的。他们通过对1 350份水稻品种进行全基因组关联分析，发现LOC_Os04g08390位于定位区间，并且其外显子中的一个SNP (rs4_4486223)与抗褐飞虱生物型2显著相关。基于这一结果，研究进一步识别出两种主要的单倍型：单倍型1和单倍型2。其中，单倍型1能显著增强Nipponbare中的褐飞虱抗性，而单倍型2则无功能。最终，研究人员将该基因命名为Bph40[31]。Bph40的抗性机制与Bph30相似，均涉及细胞壁加固，并且可能通过调控细胞壁合成相关基因表达来实现对褐飞虱的广谱抗性。
2.1.4 其他类型的抗褐飞虱基因 2.1.4.1 Bph32编码一个含有特异短小一致重复(SCR)结构域的蛋白Bph32来源于抗褐飞虱品种Ptb33，最初被定位于6号染色体短臂RM19291和RM8072标记之间的190 kb区间内。这个区间最初是由Jairin等[32]定位，该抗性位点最初被命名为Bph3。随后，Ren等[33]对此定位区间进行序列分析，最终选择了LOC_Os06g03240作为候选基因，并将其更名为Bph32。抗性机制研究发现Bph32可以抑制褐飞虱的取食，暗示其主要通过抗生性来发挥功能。表达分析发现Bph32在开花期的所有组织中均有表达，并且在叶鞘中的表达水平最高。Bph32编码了一个含有特异短小一致重复(unique short consensus repeat, SCR)结构域的蛋白，且定位于细胞质膜上。功能预测分析表明BPH32包含的SCR结构域可能具有蛋白酶抑制剂的功能，但具体功能有待进一步研究。
2.1.4.2 Bph29编码一个含B3-DNA结合结构域的蛋白为了寻找水稻中的褐飞虱抗性位点，Yang等[34]将普通野生稻(Oryza rufipogon Griff)和籼稻品种LRB54进行杂交和回交，构建了具有褐飞虱抗性的导入系品种RBPH54。通过将RBPH54与TN1进行杂交构建群体进行定位，在对F2代褐飞虱表型鉴定的过程中发现其分离比符合1:15的比例，表明RBPH54存在两个抗褐飞虱位点；随后，在BC3F2代中选择了300个抗性家系和300个易感家系共600个家系构建抗性池和感性池，通过对这两个池的基因型进行研究，最终确定了位于6号染色体上标记BYL7和BYL8之间的bph20(t)，以及位于10号染色体上标记RM222和RM224之间的bph21(t)两个褐飞虱抗性位点；通过物理图谱构建的方式发现bph20(t)的物理距离为75 kb。为了避免重名，后将这两个抗性位点更名为Bph29和Bph30[34]。
之后为了进一步缩小Bph29的定位区间，Wang等[35]进行种组单株筛选，最后将Bph29缩小到BYL8和BID2的24 kb区间内。在此区间内共有6个基因，通过对这些基因进行序列分析、表达谱分析和转基因材料互补验证，最终确定LOC_Os06g01860为Bph29。
Bph29编码一个含B3-DNA结合结构域的蛋白，定位于细胞核。进化树分析表明Bph29是一个在植物中高度保守的基因。Bph29在水稻的维管束细胞中表达。激素测定分析发现Bph29激活了SA信号途径，抑制了茉莉酸-乙烯(jasmonic acid-ethylene, JA-ET)信号途径[35]。
2.2 水稻抗褐飞虱基因的机理解析尽管已经克隆了10个抗褐飞虱位点的17个基因，但是水稻抗褐飞虱分子机理研究却比较缓慢，主要在Bph14和Bph6的抗虫分子机理方面取得了突破。
2.2.1 BPH14通过WRKY转录因子传递抗虫信号研究发现，BPH14及其抗性结构域(CC和NB)能够自身互作形成寡聚体；BPH14寡聚体形成后，与转录因子WRKY46和WRKY72互作并增强它们的蛋白稳定性，最终促进受体激酶编码基因RLCK281和胼胝质合成酶编码基因LOC_Os01g67364.1的表达，进而激活水稻SA和JA等防御信号通路，诱导胼胝质沉积，明显抑制褐飞虱的取食、生长和存活，从而产生显著的抗虫性[9, 12]。
2.2.2 BPH14-BISP-OsNBR1精细调控水稻抗虫性CC-NB-LRR类抗性蛋白在植物对病原菌的抗性中发挥至关重要的作用[36]。与之类似，CC-NB-LRR蛋白在植物对害虫的抗性中也发挥重要作用。除Bph14外，随后克隆的Bph9及其等位基因，以及在番茄和甜瓜中克隆的两个抗虫基因Mi-1.2和Vat都编码CC-NB-LRR蛋白[37, 38]。在植物抗病中，病原菌分泌的效应子(effector)通过直接或者间接的方式激活植物CC-NB-LRR类抗性蛋白介导的抗性，那么，抗虫性的激活是否也与之类似？最新的研究给出了答案：褐飞虱分泌的唾液蛋白BISP可以分泌到水稻叶鞘中，被BPH14的LRR结构域识别，从而触发BPH14介导的水稻免疫反应，比如WRKY72积累、SA含量升高等，使褐飞虱取食下降、生长受阻、死亡率上升，从而阻止褐飞虱的侵害[36]。
但是当BISP被异位表达在含有Bph14的植株中时，就会使Bph14在植株中由诱导型激活变成组成型激活，导致转基因植株生长发育受到严重影响，如植株变矮、抽穗期提前和产量下降等。这说明强抗性的持续激活不利于植物生长发育，抗性水平需要精细调控才能维持植物正常生长和抗性的平衡。进一步研究发现，在水稻细胞中同时表达BPH14和BISP可以激活细胞自噬并降解BISP。这个自噬过程是由自噬选择性受体OsNBR1介导的，BISP的降解可以将BISP蛋白量和植物抗性控制在一定的水平。因此，BPH14-BISP-OsNBR1三者互作系统能有效地控制水稻细胞中的BISP及抗性水平，保持抗虫性与生长发育之间的平衡。BPH14-BISP-OsNBR1的发现对于培育高产、抗虫水稻品种具有重要意义[36]。
2.2.3 BPH6通过与OsEXO70E1/H3互作调控细胞外泌活性发挥抗虫性BPH6的抗虫机理与其亚细胞定位相关。BPH6定位于胞泌复合体exocyst，而exocyst参与了高尔基体后转运囊泡与细胞质膜的识别过程，在各种生物学过程中起重要作用。酵母双杂交实验发现，BPH6与exocyst复合体亚基OsEXO70E1互作，促进OsEXO70E1和细胞壁蛋白向质外体的分泌，维持和加强水稻厚壁组织及维管束组织细胞壁的发育，从而发挥抗虫性[11]。
除了OsEXO70E1外，BPH6还与EXO70家族的另一成员OsEXO70H3互作[39]，同样促进了OsEXO70H3向质外体的分泌，并且OsEXO70H3与OsSMASL互作促进OsSMASL更多地向质外体分泌。这一过程增强了细胞壁木质素的积累和抗虫性。
综上，BPH6通过和OsExo70E1与OsEXO70H3互作，促进细胞壁蛋白或者相关蛋白如OsSMASL向质外体的分泌，从而维持和加强水稻细胞壁厚度、细胞壁成分，如纤维素、半纤维素和木质素积累来发挥抗虫性[11, 39]。
2.2.4 水稻防御反应基因在抗褐飞虱中的作用机理在自然环境中，水稻经常受到褐飞虱的侵害，促使其进化出了一系列复杂的防御机制。迄今为止，通过反向遗传学，在水稻中鉴定了40多个与防御褐飞虱侵害有关的基因。这些基因主要编码激酶、激素信号转导成分、转录因子等[40]。丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号级联涉及OsMPK3、OsMKK3等激酶，在水稻对褐飞虱的防御反应中起着重要作用[41-43]。如水稻Bphi008a基因通过调控OsMPK5及其相关基因的表达，增强水稻对褐飞虱的抗性[41]；OsMPK3通过磷酸化转录因子OsbHLH65，从而影响水稻对褐飞虱的防御反应[42]。植物激素，特别是JA、SA和乙烯(ET)，在防御植食性昆虫侵害方面发挥关键作用，尤其是JA信号通路发挥核心作用[43]。抗褐飞虱基因如Bph14、Bph9和Bph6通过激活SA信号通路来发挥抗虫性：SA含量、SA合成基因和下游信号通路均受褐飞虱取食诱导[9, 11, 14]。JA合成基因OsHI-LOX、OsAOS2，JA信号转录因子OsMYC2以及JA受体COI蛋白如OsCOI1a、OsCOI1b和OsCOI2在水稻对褐飞虱的防御中起着关键作用[45-48]。除了MAPK信号通路和植物激素途径外，一些关键转录因子，包括WRKY、b-ZIP、OsSPL10、NAC和MYB，通过多种途径调节防御基因的表达从而参与水稻对褐飞虱的抗性[12, 40, 43, 49, 50]。如BPH14通过与WRKY转录因子互作来传递抗虫信号[12]；OsSPL10负调控水稻对褐飞虱的防御，敲除OsSPL10可通过防御相关基因上调和次生代谢物积累来增强对褐飞虱的抗性[50]。此外，一些miRNA如OsmiR319、OsmiR159、OsmiR396等在BPH抗性网络中也有重要作用[51-53]。如OsmiR159通过靶向G蛋白亚基GS3来应对褐飞虱的侵害[53]。在BPH攻击时，细胞内Ca2+和ROS含量的增加会激活免疫反应，促进抗性品种中的胼胝质沉积，以加强细胞壁并抑制BPH侵染[9, 13, 54]。水稻抗褐飞虱基因Bph9过表达可以引发水稻原生质体的细胞死亡，并且这种细胞死亡现象能被Ca2+流抑制剂LaCl2抑制，说明Bph9介导的抗性反应与Ca2+有关[14, 55]。
另外，这些防御反应基因之间也存在交互作用。如一个R2R3MYB转录因子OsMYB30直接结合OsPAL8启动子上的AC-like元件，调控褐飞虱取食对OsPAL8的诱导表达，从而调节水杨酸和木质素的生物合成来介导水稻对褐飞虱的抗性[56]；OsWRKY36通过结合苯丙氨酸解氨酶基因OsPAL6和OsPAL1以及理想株型基因IPA1和分蘖基因MOC2启动子区中的W-box元件，从而调控它们的表达，协同调控水稻广谱抗病虫性和产量[57]。此外，过表达OsGRF8 (OsmiR396的靶点基因)诱导了黄酮类3-羟化酶(OsF3H)和黄酮类化合物的积累，从而增强水稻对褐飞虱的抗性[52]。
综上，在水稻防御褐飞虱取食过程中，除了抗性基因以外，很多防御基因也发挥巨大的作用。然而抗性基因和防御基因之间的直接关系还需进一步研究。
3 抗褐飞虱基因在我国水稻育种中的利用 3.1 水稻抗褐飞虱种质鉴定1969年，国际水稻研究所发掘水稻抗褐飞虱品种Mudgo[7]，之后就拉开了水稻抗褐飞虱育种的序幕。半个多世纪以来，各国科学家围绕水稻抗褐飞虱的资源挖掘开展了大量的工作，从地方品种、野生稻等资源中筛选获得了大量的抗虫资源。如Zhou等[19]利用褐飞虱体重变化作为表型，从1 520份全球核心水稻种质中鉴定了高抗三种生物型褐飞虱种质；Huang等[58]利用苗期集团分析法从4 006份热带和亚热带地方品种中鉴定了63份高抗褐飞虱种质。这些种质为水稻抗褐飞虱育种提供了丰富的种质资源。
3.2 水稻抗褐飞虱基因的抗虫效果明显抗虫品种选育的关键在于抗性基因的抗虫效果，好的抗虫效果才能在育种中得到广泛的应用。像前面提到的抗褐飞虱基因Bph14、Bph15、Bph3、Bph6、Bph9和Bph30的抗虫效果就得到很多同行的验证。在含有抗虫基因的植株上，由于抗生性的作用，褐飞虱取食受到抑制，取食量减少，体重增加少甚至降低，死亡率上升，抗虫效果显著。同时，这些基因在苗期和成熟期均对褐飞虱表现出了很好的抗性，对农艺性状无影响[59-62]，且抗虫效果明显优于国际水稻研究所推荐的Bph18，具有重要的育种价值[61, 62]。田间试验结果表明，与普通水稻田块相比，种植聚合了Bph14和Bph15的水稻田块中褐飞虱数量显著减少，虫口密度下降86%以上，有很好的防虫治虫效果[61, 62]。
3.3 抗褐飞虱基因在我国水稻育种中的利用由于水稻抗虫鉴定技术操作复杂，褐飞虱饲养需要一定的条件，使得常规的育种手段很难进行。因此，通过分子标记辅助育种可以显著提高育种效率，减少表型鉴定带来的不利。利用杂交和分子标记辅助选择技术，将Bph14和Bph15导入生产上大面积应用的两系不育系C815S，显著提高了不育系在苗期和大田的褐飞虱抗性[63]。将Bph6和Bph9导入恢复系9311中，显著提高了9311在苗期和成熟期的褐飞虱抗性，且抗性显著高于单个基因导入系[62]。刘开雨等[64]将Bph3和Bph24(t)分别导入广恢998、明恢63等恢复系中，获得了一批双基因优良聚合系；经鉴定，这些聚合系对褐飞虱表现出高抗。
除了改良不育系、恢复系等材料抗性，利用抗褐飞虱基因也选育了一些不育系、恢复系和审定品种。通过聚合Bph14和Bph15选育了红莲型不育系珞红4A，该品种在大田中对褐飞虱表现出高抗性；以珞红4A为母本配组的组合包括珞红4A/0104036等普遍表现出对褐飞虱的抗性[65]。隆平高科利用Bph6和Bph9培育了国审品种[66]。抗褐飞虱新品种在生产中的应用推广将为褐飞虱的绿色防治奠定品种基础。
目前发现的几个在育种上广泛应用的抗褐飞虱基因如Bph14、Bph3、Bph6和Bph30，除了对褐飞虱不同生物型表现出抗性外，对白背飞虱也具有高抗性[9-11, 31]。近年来，利用基因聚合技术所培育的抗褐飞虱种质和品种在抗性稳定、持久性方面表现出显著优势，具有重要的育种实践价值。
4 结语和展望自20世纪60年代水稻绿色革命后，水稻产量显著提高，然而褐飞虱却从零星危害的次要害虫成为了我国和亚洲各国水稻中的首要虫害。因此，如何防治褐飞虱成为了亚洲各国农业工作者的重要任务，水稻抗虫基因研究和抗虫育种也受到了高度重视，得到了快速发展。尤其是，随着抗褐飞虱基因的成功克隆和分子育种技术的突破，抗褐飞虱基因育种进程正在快速突破。特别是我们国家科研工作者克隆的几个不同类型的抗褐飞虱基因，为培育水稻抗虫品种提供了多样的基因资源。然而，生产中实际推广应用的抗褐飞虱水稻品种还不是很多，尤其是大面积推广应用的品种就更少。除了抗虫表型鉴定难度大外，还有其他原因。如水稻高抗褐飞虱基因主要来自野生稻和亚洲热带地区(如印度、越南等)国家的地方品种，我国只在野生稻中有高抗褐飞虱基因的存在，栽培稻中还没有发现[19]；国内从事抗褐飞虱种质与基因发掘研究的队伍不够强大，主要是武汉大学、南京农业大学、华中农业大学、广西大学等少数几个单位；另外，抗性稳定可靠、可供全国育种单位利用的抗褐飞虱基因很少，目前主要是Bph14和Bph15 (Bph6、Bph3、Bph9和Bph30已经转让)。因此，笔者认为应该多方发力，协同推进水稻抗褐飞虱研究和育种工作。
4.1 进一步加强抗虫资源的筛选，挖掘多种多样的广谱高抗褐飞虱基因近年来，越来越多的水稻抗虫基因被克隆和定位，但是由于褐飞虱的不断进化，很多基因对一些新的褐飞虱生物型已经失去了抗性，因此继续加强抗虫资源的筛选、鉴定和挖掘多样的抗虫基因就显得尤为重要。同时，也应该发掘一些负调控水稻抗虫的关键基因，通过CRISPR/Cas9等精准基因编辑技术，提高抗虫品种的抗性和稳定性，为育种提供更多选择，如敲除水稻OsWRKY36基因显著提高了水稻的产量和对褐飞虱的抗性[57]。
4.2 加强水稻抗虫机理以及褐飞虱生物型变异的研究，为深入理解水稻-褐飞虱互作以及水稻抗褐飞虱育种提供基础随着抗虫基因的逐步克隆和抗虫育种的推进，深入研究水稻的抗虫机理将为实现更加精准和高效的抗虫育种提供关键支持。水稻抗虫分子机制的解析是推动分子设计育种和全基因组选择技术应用的关键科学基础，对加速抗虫品种选育至关重要。此外，由于单一基因的长时间种植会诱导褐飞虱变异产生新的生物型群体，如含有Bph1的水稻品种在菲律宾推广种植三年，抗性就完全丧失了[67]。因此，解析褐飞虱不同生物型的遗传变异可为理解水稻-褐飞虱互作机理以及以抗虫品种为基础制定褐飞虱综合防治策略提供关键基础。
4.3 深入开展抗褐飞虱基因聚合效益和育种价值评价虽已发现大量抗褐飞虱基因，但除了少数几个在育种上得到应用外，大部分基因都还未被充分利用。因此，深入开展抗褐飞虱基因聚合效应研究，并从抗性表现、农艺性状及生态适应性等多维度建立综合评价体系，对于推动抗褐飞虱基因的育种应用具有重要指导意义。在抗虫基因的育种价值评价中，需综合考虑基因的抗性强度、抗性稳定性、抗性谱及与其他重要农艺性状的遗传相关性。比如，抗虫基因的抗性强度须通过多年田间试验，对不同环境和害虫生物型下的表现进行验证，确保其在自然条件下的有效性。
4.4 政策的支持通过系统开展水稻抗病品种选育及推广应用，我国在水稻稻瘟病、白叶枯病等重大病害的绿色防控方面取得显著成效，为保障粮食安全生产提供了重要支撑。一个很成功的经验就是在品种审定时实行抗病性一票否决。只有抗病性符合标准的品种才能通过审定并得以推广。因此，借助抗病育种的成功经验，期望国家继续大力支持水稻抗褐飞虱育种研究，在品种的抗性鉴定方面尽快出台行业或者国家标准，建设多个水稻抗褐飞虱鉴定平台，在品种审定时强化抗虫性的鉴定要求，推动抗褐飞虱品种的普及。
随着世界人口持续增加，在全球气候多变、生态环境压力加大、病虫害增多等形势下，粮食安全压力不断增长。因此，如何有效防治与控制害虫仍是粮食、经济、蔬菜等作物生产中的技术难题。希望水稻抗褐飞虱的研究成果和育种经验能为其他农作物害虫防治提供借鉴。深入研究水稻抗虫背后的基础科学问题，对于培育抗虫作物品种和实现害虫的绿色防控有重要意义。抗虫品种的推广也将造福于人类，前景广阔和光明。
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