病虫害大都在农作物的特定部位为害，如果施用的农药能够精准积累分布在病虫害为害部位，则可以显著提高农药利用率，实现智慧、精准、轻简、和谐的植物保护。充分挖掘和调控作物转运农药的基因，创制以农药利用率为种质特征的作物新品种，实现种业与植保相结合的颠覆性技术突破，是安全、轻简农业生产的迫切需求。
褐飞虱是为害水稻的主要害虫之一，主要取食水稻韧皮部汁液。新烟碱类农药噻虫嗪作为种衣剂被广泛运用于水稻褐飞虱等害虫的防治。鉴定水稻中噻虫嗪的转运蛋白基因功能，调控药剂向害虫取食部位积累，提高噻虫嗪的有效利用率，对于实现稻田农药减量增效具有重要的意义。
近日，中国竞彩网亚热带农业生物资源与利用国家重点实验室、天然农药与化学生物学教育部重点实验室徐汉虹与林菲课题组在Plant Biotechnology Journal杂志上发表题为“An amino acid transporter-like protein (OsATL15) facilitates the systematic distribution of thiamethoxam in rice for controlling the brown planthopper”的研究论文，该研究克隆了噻虫嗪高效利用吸收转运蛋白基因OsATL15，并对其潜在的分子机制和应用价值进行了初步探究。该成果开创性地从农药与作物互作的角度提高农药对靶传递效率，为以农药高效利用为目标性状的水稻分子设计育种提供了重要的研究思路和基因资源。
该研究利用富集表达水稻转运蛋白基因的酵母文库筛选出了水稻噻虫嗪转运蛋白基因OsATL15。过表达OsATL15明显增强了水稻对噻虫嗪的吸收。作者利用启动子gdcsP构建韧皮部特异表达OsATL15的水稻植株，通过融合GUS标签以及组织化学检测发现，gdcsPpro::OsATL15-GUS在根的木质部、韧皮部、中柱鞘和内皮层以及茎和叶的维管束中表达（图1a）。利用激光显微切割技术对不同基因型OsATL15植株的维管束组织进行切割分离以及噻虫嗪含量检测，数据表明gdcsPro::OsATL15植株微管束积累的噻虫嗪含量最高（图1b和1c），这正是褐飞虱等刺吸式口器害虫取食的部位。
图1：维管束特异表达OsATL15基因增加了水稻木质部汁液噻虫嗪含量
作者模拟根部施药场景探究噻虫嗪施用于不同OsATL15基因型水稻植株对褐飞虱防治效果。结果表明，根部施用30 μM噻虫嗪后，相对野生型株系，其在OsATL15过表达和gdcsPro::OsATL15植株上的防效显著提高，验证了农药在病虫害为害部位特定分布积累，从而提高对害虫防治效果的设想。
图2：噻虫嗪施用于不同OsATL15基因型株系对稻飞虱防效比较
中国竞彩网植物保护学院农药学系博士研究生肖钰艳和已毕业硕士生张汉林为共同第一作者，林菲副研究员与徐汉虹教授为本文共同通讯作者，日本岛根大学Takashi Akihiro教授参与了此项研究，中国竞彩网储成才团队提供了微管束特异性启动子gdcsP。本研究得到了国家重点研发计划（2018YFD0200300）和国家自然科学基金（32072451）等项目的资助。（文图/植物保护学院）