陆宴辉, 刘 杨, 杨现明, 荆玉谱, 胡 高, 栾军波, 郭兆将,马 罡, 闫 硕, 梁 沛, 刘 杰, 肖海军

(1. 中国农业科学院植物保护研究所，植物病虫害综合治理全国重点实验室，北京 100193；2. 河南大学生命科学学院，棉花生物育种与综合利用全国重点实验室，开封 475004；3. 南京农业大学植物保护学院，南京 210095；4. 沈阳农业大学植物保护学院，沈阳 110866；5. 中国农业科学院蔬菜花卉研究所，蔬菜生物育种全国重点实验室，北京 100081；6. 中国农业大学植物保护学院，北京 100193；7. 全国农业技术推广服务中心，北京 100125；8. 北京林业大学植物草业与草原学院，北京 100083)

我国常发性农业害虫有730多种,其中20多种属于重大农业害虫,重发时害虫为害造成农作物产量损失高达30%以上[1]。除了作物产量损失,害虫为害还可导致农产品腐烂、霉变等,产生有毒有害物质,如黄曲霉毒素、镰刀菌毒素等,严重危害消费者身体健康和生命安全。同时,我国用于农业害虫防治的化学农药使用量虽已实现“负增长”,但投入总量依然很大,农产品农药残留超标、农区环境污染现象依然存在。因此,农业害虫综合防治事关农作物生产安全、农产品质量安全、农区生态环境安全以及农民与消费者的身体健康。

近年来,由于全球气候变化、产业结构调整、耕作制度变革、外来生物入侵等因素的影响,我国农业害虫发生形势依旧严峻。稻飞虱、水稻螟虫、小麦蚜虫、亚洲玉米螟Ostriniafurnacalis等持续大面积暴发;小麦吸浆虫、豇豆蓟马、盲蝽、叶螨、韭菜迟眼蕈蚊Bradysiaodoriphaga等连续局部重发;烟粉虱Bemisiatabaci、小菜蛾Plutellaxylostella、棉蚜Aphisgossypii等抗药性水平居高不下;草地贪夜蛾Spodopterafrugiperda、草地螟Loxostegesticticalis等跨境跨区迁入频繁出现。同时,随着绿色发展理念的逐步贯彻和人民生活水平的不断提高,农业害虫绿色防控、化学农药减量使用成为了时代主题和重大命题,备受各级政府高度重视与社会公众普遍关注。科学有效防控农作物害虫,做到既减少化学农药使用量,又减少害虫为害损失率,同时实现保产增收、减损增效。这对新时期农业害虫综合防治科技创新提出了新要求。此外,大数据、生物技术等快速发展为从微观角度开展农业害虫防控研究提供了新的手段;大尺度生态学、现代信息技术等不断进步为从宏观水平创新害虫防治对策与技术提供了新的思路。

2018年以来,在国家重点研发计划“两减”和“粮丰”专项、国家自然科学基金等项目的资助支持下,我国在东亚飞蝗Locustamigratoriamanilensis、稻飞虱、烟粉虱、棉铃虫Helicoverpaarmigera等重大农业害虫发生新规律新机制研究上取得了系列突破性进展,成功研发了抗虫作物、RNA农药、行为调控产品、生态调控技术等害虫防治核心技术产品,创建了草地贪夜蛾、盲蝽、韭蛆、麦蚜等重要害虫绿色防控技术体系。上述科技创新与技术进步全力支撑新时期农业生产重大害虫科学防控和化学农药减量使用,保障粮食安全和重要农产品有效供给,助力脱贫攻坚和乡村全面振兴。

1 研究进展

1.1 农业害虫发生新规律和新机制

1.1.1害虫变态发育与生殖调控机制

在内分泌激素系统调控下,害虫短时间内快速生长和大量繁殖是种群暴发致灾危害的重要因素。近年来,以棉铃虫、蝗虫、草地贪夜蛾等昆虫为研究对象,围绕蜕皮激素(20E)、保幼激素(JH)以及胰岛素样多肽(ILP)等内分泌激素调控作物害虫蜕皮、变态、生殖等发育的分子机理研究取得了重要进展。赵小凡教授团队通过挖掘和解析害虫蜕皮与变态生理过程中细胞膜上的激素受体,发现多巴胺受体和G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor, GPCR)能够将蜕皮激素20E信号传递到细胞内,并触发表观遗传修饰,从而抑制害虫取食,促进变态的发生[2]。同时鉴定出关键转录因子Krüppel-like factor 15,其介导了20E调控幼虫脂肪体糖代谢,用以维持害虫蜕皮变态过程所需的能量供给[3]。李胜教授团队则证实棉铃虫变态后蛹早期脂肪体的解离是由基质金属蛋白酶MMP2主导调控,并且该分子机制在草地贪夜蛾、家蚕脂肪体解离调控中具有保守性[4]。周树堂教授团队在飞蝗和赤拟谷盗Triboliumcastaneum的研究中发现,JH响应基因Kr-h1在幼虫期通过磷酸化修饰招募辅助抑制因子CtBP抑制E93基因的表达,起到阻止昆虫变态的作用[5]。内分泌激素系统的交互作用是蜕皮变态发育的调控基础,李胜教授团队发现表皮生长因子受体(EGFR)介导营养信号通路Ras/Raf/ERK作用于保幼激素酸甲基转移酶(JHAMT)促进昆虫体内JH合成[6]。程道军教授团队通过表观遗传学的手段解析了组蛋白乙酰化与DNA甲基化修饰调控蜕皮激素合成的分子机制,并且发现JH信号通路早期关键响应基因Kr-h1和Hairy在该过程中发挥关键性调控作用[7-8]。

强大的生殖能力为害虫灾变提供了种群基础,昆虫惊人的产卵能力的解析也是发展害虫绿色防控技术的重要切入点。周树堂教授团队聚焦JH依赖的害虫生殖调控研究,针对飞蝗咽侧体、脂肪体、卵巢等生殖相关组织器官开展了系统性工作,解析了害虫大量卵黄发生的遗传调控基础。研究表明,JH作为促性腺激素能够作用于脂肪体,并促进脂肪体细胞多倍化和维持细胞稳态,继而促进蝗虫生殖期生成大量卵黄[9]。围绕卵子生成过程中卵巢功能的研究发现,JH通过触发蛋白激酶(protein kinase C, PKC)活性调控卵泡上皮细胞胞间通道开放,促进来自脂肪体的卵黄原蛋白顺利通过“血-卵屏障”[10]。同时,在飞蝗和棉铃虫中发现保守的JH信号转导通路能够调控卵黄原受体VgR快速循环利用,促进卵母细胞大量积累卵黄蛋白,该机制的解析也为昆虫病原微生物母体垂直传播的理论研究和害虫绿色防控技术研究奠定了基础[11]。李胜教授团队的研究发现,JH通过调控脂肪体与卵巢的作用,确保昆虫卵外形和卵的顺利产出[12]。该团队还借助多组学数据,对蝗虫、螳螂等的卵鞘生成机制进行比对分析,揭示了新亚翅目昆虫卵鞘生成的进化机制,阐释了害虫环境适应性种群繁殖的策略[13]。

1.1.2害虫滞育调控机制

滞育是昆虫适应逆境的重要生活史策略之一,对昆虫种群基数的维持、存活、生殖与进化都具有重要意义。昆虫滞育调控的生理生化机制已有系统研究,多组学、网络化调控的分子机制解析逐步深入。徐卫华教授团队发现线粒体呼吸链复合物Ⅳ(COXⅣ)和6-磷酸葡萄糖脱氢酶(G6PD)这两种蛋白在诱导棉铃虫蛹滞育和活性氧(ROS)积累中发挥关键作用[14]。羰基还原酶1(CBR1)通过ROS/Akt/CREB途径降低棉铃虫体内蛋白质的羰基水平以延长蛹滞育[15]。双叉头转录因子FoxO被证明可调节抗氧化基因的表达来降解自由基,是延长寿命的关键调节因子。棉铃虫滞育蛹脑中上调的ROS首先活化FoxO。活化的FoxO通过启动泛素化基因Ubc的表达激活泛素蛋白酶体系统(UPS),被激活的UPS降解,减少转化生长因子TGFβ信号,导致脑的发育受阻,降低代谢活性,引起滞育和蛹期的延长,证明FoxO是诱导棉铃虫蛹滞育,延长生命的关键基因,揭示了ROS通过FoxO延长蛹历期的新机制[16]。李胜教授团队研究发现脂肪体解离可以影响血淋巴中各类脂质的含量,从而影响蛹期发育/滞育的抉择[4]。王小平教授团队通过对大猿叶虫Colaphellusbowringi内分泌信号进行综合分析与系统筛查,发现保幼激素缺乏是诱导成虫生殖滞育的直接因素,Krüppel同源物Kr-h1是调节生殖和滞育响应光周期调控的关键因子[17]。进一步研究后发现了蜕皮激素作为生殖滞育发生上游调控因子的新功能,其可作为JH的上游调控信号,参与生殖滞育的发生[18]。此外,热休克蛋白(HSP)/辅助蛋白等调控网络与差异表达水平的激活依赖于越冬越夏的滞育状态与时期,可进一步诱导二化螟Chilosuppressalis、黑纹粉蝶Pierismelete等害虫滞育个体的耐热或抗寒能力[19-21]。microRNA在昆虫滞育调控中起着重要的作用,JH初级应答基因Kr-h1和叉头转录因子FoxO分别是microRNAlet-7-5p和miR-2765-3p的靶基因,已有研究证实JH通过调控let-7-5p-Kr-h1和miR-2765-3p-FoxO反应链调控沙葱萤叶甲Galerucadaurica的生殖滞育[22-23]。以上研究为解析昆虫滞育与发育可塑性机制提供了新视角,为利用昆虫生长调节剂调控滞育进而控制害虫提供新思路。

1.1.3害虫迁飞机制与规律

跨区域迁飞昆虫的种群数量年际间存在巨大波动,确定影响迁飞的关键因子是准确预测种群大小的关键,长期监测是阐明迁飞规律和成灾机制的基础。吴孔明研究员团队2003年起在渤海湾北隍城岛上利用昆虫雷达和高空测报灯等技术手段开展迁飞昆虫活动的长期监测,发现36科119种昆虫进行远距离迁飞,迁飞昆虫种群数量基本稳定,但蜻蜓目数量逐年下降[24]。通过连续18年(2003年-2020年)对夜间迁飞过境昆虫的持续监测,发现迁飞天敌昆虫的丰富度呈显著下降趋势,夏季迁飞天敌昆虫的丰富度降低了19.3%;天敌昆虫能显著抑制植食性昆虫的年际间种群增长,天敌昆虫的下降与多种重要农业害虫的种群上升有明显关联性;整个迁飞昆虫系统至少存在124对营养捕食关系(食物网),迁飞食物网中天敌昆虫的生物量年均减少约0.7%,食物网关系的连接性显著下降[25]。基于各类长期监测数据,胡高教授团队筛选出影响欧洲小红蛱蝶Vanessacardui迁入量的2个关键环境因子:虫源区冬春季植被状况(反映虫源地种群大小)和迁飞季节的经向风风速,提出“虫源地种群大小耦合迁飞季节气象条件”的迁飞害虫种群数量预测的模型框架[26];提出“海平面温度→西太平洋副热带高压→西南气流和降水”调控褐飞虱Nilaparvatalugens迁飞的控制模式,可用3月-4月的海平面温度来预测长江下游地区褐飞虱发生[27];发现黏虫Mythimnaseparata夏季主要繁殖区——华北地区受冷高压控制导致四代黏虫回迁成功概率低,9月华北冷高压的位置可预测翌年黏虫种群是否暴发[28]。此外,迁飞昆虫对生态系统的影响越来越受到关注。吴孔明研究员团队揭示了重要天敌昆虫黑带食蚜蝇Episyrphusbalteatus春夏季北迁和秋季南迁的季节性迁飞规律及其授粉网络[29]。

迁飞是昆虫应对不良环境的一种生活史策略。褐飞虱长、短翅型是其为适应环境变化而成功进化出的适应迁飞扩散与生殖策略的性状典范。胰岛素通路主要感受各种糖和环境压力等变化的信号,已被证实与褐飞虱等多数昆虫的翅型分化相关[30]。李飞教授团队发现褐飞虱体内mircoRNA(miR-34)与胰岛素/胰岛素样生长因子信号(Insulin/IGF signaling, IIS)通路、昆虫激素等形成一个正向调控回路,协同调控翅型分化[31]。华红霞教授团队在解析Hox基因Ultrabithorax在褐飞虱中独特的表达模式及其在翅型分化过程中的关键作用时,发现该基因也受IIS通路调控进而影响翅型分化[32]。徐海君教授团队提出了Zfh1与IIS通路平行调控翅型分化的分子调控模式:即褐飞虱长短翅的发育或取决于Zfh1-FoxO通路和IIS-FoxO途径的平衡[33]。经过以上团队的研究,IIS信号转导参与的翅型分化调控通路得到了进一步的完善与发展。

进入基因组时代以来,运用组学技术研究昆虫迁飞机制逐渐成为热点,为开展相关机制研究提供了新的视角。江幸福研究员团队通过整合基因组学和转录组学数据,发现蛋白质加工、激素调节和多巴胺代谢等通路的相关基因可能参与黏虫迁飞行为的调控;结合迁飞行为分析表明,黏虫神经肽(AT)通过调节保幼激素滴度协调迁飞与生殖的耦合关系,而隐花色素(Cry2)、磁受体(MagR)参与了昆虫迁飞的磁定向过程[34]。吴孔明研究员团队对迁飞型和居留型小地老虎Agrotisipsilon进行转录组学分析,发现昼夜节律相关基因可能与其季节性迁飞有关。此外,JH信号通路和能量代谢通路基因可能在昆虫迁飞过程中发挥作用[35]。

1.1.4害虫与共生微生物互作机制

有的共生微生物分布于昆虫特化的细胞——含菌细胞内,或者分布于昆虫几乎所有类型的细胞内(不局限于特定的昆虫细胞)。例如,烟粉虱含菌细胞携带专性共生菌Portiera和一至多个兼性共生菌。烟粉虱含菌细胞携带的兼性共生菌的作用一直是个谜。栾军波教授团队的研究表明,烟粉虱含菌细胞共生菌Hamiltonella通过调控宿主受精及合成5种B族维生素影响后代性比[36]。烟粉虱含菌细胞通过母系遗传到后代,母系遗传的含菌细胞在雌虫中增殖而在雄虫中衰退,证明了共生菌的细胞分裂仅出现在雌虫含菌细胞中,而细胞自噬和凋亡在雄虫含菌细胞中诱导发生;转录因子Adf-1在雌虫含菌细胞中的表达量显著高于在雄虫含菌细胞;沉默Adf-1则雌虫含菌细胞的数量减少,出现细胞自噬和凋亡。该研究揭示了昆虫雌雄虫能通过分子和细胞重塑影响含菌细胞的发育,促进了对昆虫含菌细胞的形成、维持和消亡机制的理解[37]。细菌源水平转移基因在烟粉虱含菌细胞高表达。研究发现烟粉虱水平转移基因panBC与Portiera可协作合成维生素B5(泛酸),泛酸能够调控烟粉虱和Portiera的适合度[38]。进一步研究发现,一个烟粉虱的miRNA能够调控PanBC蛋白在含菌细胞高表达,从而介导panBC与Portiera协作合成泛酸[39]。水平转移基因也能协助烟粉虱合成维生素B7(生物素),提高烟粉虱适合度,促进共生菌传播[40]。含菌细胞共生菌Portiera、Hamiltonella和含菌细胞外分布的共生菌Rickettsia基因组都含有赖氨酸合成途径的大多数基因。缺失Hamiltonella不影响烟粉虱赖氨酸含量,烟粉虱水平转移基因与Portiera和Rickettsia协作合成赖氨酸,从而促进烟粉虱与一个专性共生菌和一个兼性共生菌的共生关系[41]。刘树生教授和栾军波教授团队研究揭示了Rickettsia随着烟粉虱的卵子发生和胚胎发育,达到和进入子代体内的途径与机制[42]。洪晓月教授团队研究发现,共生细菌Wolbachia能够通过合成维生素B2(核黄素)和B7来补充稻飞虱食料中缺少的维生素,进而促进稻飞虱的种群增长[43]。将感染灰飞虱Laodelphaxstriatellus的wStriWolbachia株系转入到褐飞虱体内,其诱导了高强度的细胞质不亲和表型,当以不同比例释放感染wStriWolbachia的褐飞虱来替换实验室饲养的野生种群时还能显著抑制褐飞虱传播水稻齿叶矮缩病毒(rice ragged stunt virus)[44]。有的共生微生物分布于昆虫的细胞外,如在昆虫的表皮或肠道。程代凤教授和陆永跃教授团队的研究发现,橘小实蝇Bactroceradorsalis雄虫直肠中的芽胞杆菌可协助雄虫合成性信息素,高效引诱雌虫完成交配[45]。

1.1.5害虫对杀虫剂的抗性机制

在杀虫剂的持续选择压力下,容易诱导害虫对杀虫剂产生抗药性,严重影响了杀虫剂的可持续利用与害虫高效治理。近年来,张友军研究员团队在蔬菜害虫抗药性分子机制方面取得系列重要突破性研究进展。在烟粉虱对新烟碱类化学杀虫剂抗药性分子机制方面,发现丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)信号通路通过激活转录因子环磷腺苷效应元件结合蛋白(cAMP-response element binding protein, CREB)调控细胞色素P450基因CYP6CM1的过量表达,从而导致烟粉虱对烟碱类杀虫剂吡虫啉产生抗性[46]。细胞色素P450基因CYP4C64基因上游5′-UTR区的点突变引发m6A RNA甲基化修饰,从而激活了CYP4C64基因的过量表达,导致烟粉虱对新烟碱类杀虫剂噻虫嗪产生抗性[47]。在小菜蛾对Bt生物杀虫剂抗药性分子机制方面,该团队发现小菜蛾中肠细胞中两种主要的昆虫激素(蜕皮激素20E和保幼激素JH)含量升高可以通过5′-UTR区的SE2逆转座子插入突变增强转录因子FoxO的结合从而过度激活MAPK信号途径上游关键基因MAP4K4,然后过度激活的MAP4K4进一步过度磷酸化激活MAPK信号途径下游四级信号级联放大路径[MAP4K4—MAP3K(Raf和MAP3K7)—MAP2K(MAP2K1、MAP2K4和MAP2K6)—MAPK(ERK、JNK和p38)],随后通过FTZ-F1和GATAd等关键转录因子反式调控Bt受体基因(ALP、APN1、APN3a、ABCB1、ABCC2、ABCC3、ABCG1)表达量下调和非受体同源基因(APN5、APN6、ABCC1)表达量上调,最终使小菜蛾在维持正常生长发育、无任何适合度代价的前提下对Bt进化产生完美的高抗性[48-52]。

张文庆教授团队发现水稻害虫褐飞虱细胞色素P450基因CYP6ER1和CYP6AY1的过量表达使其对新烟碱类杀虫剂吡虫啉产生抗性,同时也导致体内活性氧(ROS)的大量产生,影响其生长发育,导致适合度代价的产生;而抗性褐飞虱携带修饰等位基因T65549A的启动子突变可通过上调过氧化物酶基因NlPrx的表达水平来增强其消除ROS的能力,从而实现抗性和发育的平衡[53]。吴进才教授团队的研究指出,杀虫剂的大量不合理使用一方面可以杀死田间褐飞虱等害虫的天敌,激活害虫生殖相关的生理和分子过程,从而诱导害虫的产卵量增加,飞行能力增强;另一方面还能影响寄主植物的生理生化过程导致其抗性下降,使之有利于害虫的取食和生殖,最终加速害虫对杀虫剂抗性的形成,导致飞虱类害虫在田间再猖獗[54]。

1.1.6害虫与寄主植物的化学通讯机制

昆虫通过嗅觉系统识别不同气味分子来调控栖息地的选择、觅食、求偶、交配与繁殖等行为。因其嗅觉系统高度灵敏,昆虫一直是化学通讯机制研究的理想材料。王桂荣研究员团队对重大农业害虫棉铃虫气味受体基因家族的功能进行了系统研究,绘制了棉铃虫气味受体家族编码寄主植物挥发物的功能图谱,揭示了棉铃虫气味受体通过组合编码的方式识别复杂的寄主挥发物,阐明了昆虫识别寄主植物挥发物的基本原理,加深了我们对昆虫与植物协同进化过程的认识,以这类关键的嗅觉受体为靶标可以发展环境友好的害虫行为调控绿色防控技术[55]。对植物-蚜虫-天敌昆虫互作中重要的化学线索反-β-法尼烯(EBF)的来源、生态学功能及其介导的天敌昆虫嗅觉识别的分子机制的研究,明确了大灰优食蚜蝇Eupeodescorollae成虫和幼虫可感受不同浓度的EBF,幼虫利用来源蚜虫的EBF对其进行近距离定位,而成虫能够识别来源植物的EBF对蚜虫为害的植株进行远距离搜寻。从分子水平解析不同来源的EBF对天敌昆虫的调控作用,打破了来源蚜虫的EBF作为利它素远距离吸引天敌昆虫的认知,为充分利用EBF这一重要的化学线索,科学合理地开发天敌昆虫行为调控剂奠定理论基础[56]。

在寄主植物信号调节害虫产卵行为方面,董双林教授团队鉴定出了吸引小菜蛾产卵的3种关键的十字花科植物异硫氰酸酯气味物质,小菜蛾利用2个专门的气味受体(odorant receptor, OR)感受十字花科植物的标志性挥发物异硫氰酸盐(isothiocyanates, ITC)的气味,使雌蛾有效地识别并定位产卵寄主,从嗅觉角度揭示了十字花科植物专食性昆虫的寄主适应机制[57]。王琛柱研究员团队发现一个气味受体OR31在烟青虫的产卵器中高表达,能够探测寄主植物散发的气味物质顺-3-己烯丁酸酯,帮助烟青虫确定产卵的准确位置[58]。

在害虫与寄主植物互作中的植物信号调节方面,胡凌飞研究员团队在水稻中解析了虫害诱导挥发物吲哚对草地贪夜蛾幼虫抗性的影响以及调控早期防御信号的机理,提出了吲哚调控植物抗虫性的作用模型,为虫害诱导挥发物在植物防御启动中的调节潜力和作用模式提供了基础[59]。李建彩研究员团队研究表明,植物通过调节新陈代谢避免了代谢分子的自身毒性,同时又获得了对植食性昆虫的防御能力。该研究解析了17-HGL-DTGs(17-hydroxygeranyllinalool diterpene glycosides)的生物合成途径,并表明烟草保留了17-HGL-DTG的防御功能,同时又通过精确调控类萜糖苷配基修饰以避免对自身的毒性,为今后开发植物防御分子和天然产物提供有力的工具[60]。毛颖波研究员团队在棉铃虫口器分泌物中发现一个效应子HARP1可以与拟南芥、棉花等多种植物中茉莉素信号的核心组分JAZ阻遏蛋白互作,通过与茉莉酸受体蛋白COI1竞争性结合JAZ,从而稳定JAZ的蛋白水平,抑制JA防御信号途径。研究还发现HARP1类蛋白在鳞翅目昆虫中广泛存在并在夜蛾科昆虫中较为保守,有助于昆虫在与宿主植物共同进化过程中对宿主植物的适应[61]。

在昆虫利用植物化学信号进行种间交流和竞争方面,李云河研究员团队发现当褐飞虱侵害水稻时,会诱导水稻释放信息挥发物,显著引诱褐飞虱的天敌稻虱缨小蜂Anagrusnilaparvatae。然而,二化螟为害诱导的水稻挥发物可显著排斥稻虱缨小蜂。当褐飞虱与二化螟共同为害水稻时,二化螟诱导水稻挥发物发挥主导作用,掩盖了褐飞虱为害诱导的水稻挥发物,导致稻虱缨小蜂无法通过水稻挥发物准确定位褐飞虱卵,显著降低褐飞虱卵被寄生的风险。这意味着,二化螟为褐飞虱创造了有利条件。事实也证明,褐飞虱进化出了可以积极利用这一现象的能力,它们更偏爱在那些被二化螟为害过的稻株上取食和产卵[62]。

1.1.7害虫对植物抗虫性的适应机制

植物在长期进化适应中获得了通过合成大量抗虫物质来抵御害虫侵害的能力。在植物抗虫性方面,娄永根教授团队和舒庆尧教授团队研究发现,在植物体内5-羟色胺和水杨酸的生物合成起自共同的源头物质分支酸,两者的生物合成存在相互负调控现象。当抗性水稻品种受到褐飞虱、二化螟等为害时,水稻中合成5-羟色胺的基因CYP71A1转录不被诱导,从而导致水稻中水杨酸含量升高和5-羟色胺含量降低;而感虫品种受到害虫为害时,害虫可促进CYP71A1的转录,从而引起水杨酸含量下降和5-羟色胺含量上升。因此,褐飞虱和水稻之间的“军备竞赛”,一定程度上体现在对水稻5-羟色胺生物合成的调控[63]。娄永根教授团队还筛选获得多个候选化学激发子,其中,4-氟苯氧乙酸能诱导水稻细胞中类黄酮聚合物颗粒的沉积,并由此导致稻飞虱因口针难以抵达韧皮部或口针内食物通道堵塞,获取食物困难而死亡[64]。对疆千里光Jacobaeavulgaris入侵种群挥发物的进化变化及其组成和诱导挥发物各自的防御作用进行分析后发现,挥发物介导的直接和间接防御驱动了植物的进化,植物挥发物具有重要的防御功能[65]。

在害虫对植物抗虫性的适应机制方面,张友军研究员团队首次发现烟粉虱通过水平基因转移方式获得了寄主植物的次生代谢产物解毒基因——酚糖丙二酰基转移酶;并利用该基因代谢寄主植物中广泛存在的酚糖类抗虫次生代谢产物,通过巧妙的“以子之矛,攻子之盾”方式对寄主植物产生了广泛的适应性[66]。王晓伟教授团队发现烟粉虱在刺吸植物汁液时能够分泌唾液蛋白Bt56并将其注入植物叶片,通过Bt56蛋白与植物中的转录因子NTH202互作激活植物的水杨酸信号途径,进而抑制植物的茉莉酸途径引起的抗虫防御反应,促进烟粉虱的存活与繁殖[67]。张友军研究员团队发现烟粉虱能够操纵寄主番茄的防御反应,通过诱导水杨酸信号途径抑制对其有防御作用的茉莉酸信号途径[68];进一步的研究发现烟粉虱在取食过程中分泌的唾液蛋白BtFer1和BtE3能够抑制番茄产生氧化应激反应和茉莉酸防御反应,并能够抑制胼胝质沉积增加和蛋白酶抑制剂的产生,因而增强烟粉虱的寄主适应性[69-70]。陈剑平院士和张传溪教授团队通过干扰稻飞虱特有的并且在唾液腺特异表达的基因LsSP1,发现LsSP1对生殖、蜜露分泌和取食均有显著影响。黏蛋白样蛋白(salivary sheath via mucin-like protein, LsMLP)是灰飞虱唾液鞘主成分,在其取食过程中不可或缺,起到润滑和保护口针的作用。植物免疫系统会识别LsMLP,激活水稻抗虫防御。为应对LsMLP引起的水稻防御,灰飞虱在取食过程中分泌唾液蛋白LsSP1,一方面结合在LsMLP周围,避免了LsMLP被植物免疫识别;另一方面还通过破坏半胱氨酸蛋白酶与水杨酸通路的正反馈调控回路抑制水稻抗虫防御。研究揭示了灰飞虱唾液鞘蛋白LsSP1促进取食的同时,尽可能地抑制唾液激发子引起的植物防御的新机制[71]。

昆虫除了可以直接抵抗植物的防御反应以外,还可以通过“互利共存”的生态策略促进其对寄主的适应能力。李云河研究员团队发现,生态位不同的昆虫能够协同作用抑制寄主植物的防御反应。二化螟取食水稻能够显著降低水稻中的一些不利于褐飞虱生长发育的甾醇类物质含量,显著促进褐飞虱生长发育;褐飞虱和二化螟共同为害水稻时,能够抑制二化螟单独为害时引起的水稻防御反应(茉莉酸和蛋白酶抑制剂增加),进而完全消除对后来二化螟幼虫适合度的负面影响[62]。张友军研究员团队发现虫害诱导绿叶挥发物顺-3-己烯醇能够诱导番茄的茉莉酸防御反应以及胼胝质的合成,增强了番茄对烟粉虱及其传播的番茄黄化曲叶病毒(tomato yellow leaf curl virus, TYLCV)感染的抗性[72-73]。

1.1.8害虫对作物种植结构调整的响应机制

农作物种植结构显著影响害虫生存的生态环境、食物资源和有益天敌对害虫的生物控害功能,可显著调节害虫的种群发生。万年峰研究员团队通过分析全球2 900余组多种与单/纯种植物种植模式的比较试验,发现农田、草原和森林系统添加其他植物种类,可提高捕食性天敌的丰度和捕食率、寄生性天敌的丰度和寄生率,降低植食性昆虫的丰度和为害程度,提升作物产量与品质以及植物生产力。进一步整合全球413个植物多基因与单/纯基因的比较试验,发现植物多基因与单/纯基因对增加农田、森林、草原等生态系统中的天敌及其增强控害效果并无显著影响,在主栽植物田块通过间套作1个同种其他品种,便可实现对植物病虫草的控制[74-75]。肖海军教授团队发现,在长江中下游稻区不同植被景观构成中,以水稻为主到以半自然栖境为主的梯度差异稻田生境下,天敌可以显著抑制褐飞虱种群的增长,小规模稻田景观下害虫为害损失和天敌生物防治效率在很大程度上与小规模农田景观背景无显著相关,为保持高水平的生物防治潜力, 须适当维护小规模农田景观特征[76]。水稻二化螟种群数量随稻田面积比例的增加而增加,越冬幼虫寄生率与二化螟越冬基数显著正相关,但与景观结构水平的非作物生境比例无显著关联,寄生蜂在景观水平上的反应具有物种特异性。研究明确了天敌生物控害功能中上行效应的级联现象,水稻种植模式时空差异塑造了害虫种群压力和天敌寄生动态,生境更加多样化的稻田景观二化螟种群数量相对降低[77]。十字花科蔬菜、水体养殖和显花植物等多品种复合种养结构亦有利于增加害虫捕食者的数量和多样性,减少了农药使用量并提高了蔬菜产量[78]。戈峰研究员团队利用新建立的生态控制服务指数方法对害虫控制进行定量评价,发现作物多样性具有高效控制作用,小麦-玉米-棉花轮作生态系统有助于增加优势天敌的数量,进而减少棉蚜数量,轮作生态系统中可利用的猎物资源和玉米有利于维持捕食者天敌种群从而发挥生态控害服务功能[79]。

陆宴辉研究员团队研究表明:农田景观系统中小宗作物、非作物生境有利于棉田捕食性天敌的丰富度、多样性[80]。农田景观系统中资源的连续性对瓢虫种群保育具有重要作用,景观尺度、田块尺度上作物种植结构布局、非作物生境和农田管理措施等多因素共同作用于天敌昆虫[81-82]。农田景观的单一性增加了多食性害虫棉铃虫对次要寄主核桃的为害[83];农作物景观组成对瓢虫、蚜虫寄生蜂等天敌昆虫的多样性及其生态控害作用存在明显的调节作用,且具明显时空效应,在不同作物生长季节,景观中不同非作物生境对天敌的控害功能调节不同,植被组成与特征是导致差异的重要因素;寄生蜂的控蚜功能受外部景观格局和内部食物网结构的综合影响[84-86]。

1.1.9害虫对全球气候变化的响应机制

全球气候变化以气候变暖和极端高温事件频发为最明显的两大特征,对害虫的发生及其为害趋势产生了深刻影响。马春森研究员团队提出了研究昆虫响应极端高温的新方法,同时考虑了极端高温对昆虫的影响和昆虫在高温发生间隔期间的自我恢复,可解析发生在任一时间尺度的极端高温事件。极端高温在分子、生理等个体水平和种群水平对昆虫造成一系列影响,改变了昆虫的物候、化性和数量,最终对群落结构、种间关系和生态系统功能造成显著影响[87]。昆虫对极端高温的响应具有多重机制。微栖境气候的多样性为害虫应对极端气候提供了庇护所,体温调节和生活史变化可以减轻昼夜和季节温度变化对害虫的影响,耐热等性状的快速进化使昆虫能够适应长期的气候变化。在此基础上,提出了将害虫对气候变化的缓解效应纳入预测模型,以改进气候变化下的害虫预测技术[88]。李志红教授团队针对橘小实蝇全球扩散路径不明、热适应性机制不清的科学问题,通过构建单核苷酸多态性位点数据库、全基因组关联分析及RNAi验证,揭示了橘小实蝇起源于印度南部地区,并在贸易和移民等活动的驱动下,通过三条独立的扩散路径在全球扩散;同时发现可显著提高橘小实蝇热适应性及入侵适应力的基因,为橘小实蝇的进化历程和温度适应性的遗传基础提出了新见解[89]。

气候变化导致害虫越冬区域和周年适生区扩展,进而促进了害虫抗药性的发展。为了揭示气候变化和害虫抗药性间的关系,研究者通过室内模拟和田间验证,解析出制约小菜蛾越冬的关键气候因子,构建出越冬存活模型。发现我国河南驻马店及具有相近冬季低温积温的地区是小菜蛾越冬的“边缘”地带,未来平均气温每上升1℃,越冬区将扩大约220万km2。基于越冬研究及对全球40年1 806条小菜蛾抗药性的数据分析,发现越冬区小菜蛾的抗药性是非越冬区的158倍。因此气候变化改变害虫越冬存活状态,改变了全球害虫的分布及其抗药性[90]。尤民生教授团队对全球六大洲的55个国家和地区的114个样点采集的小菜蛾样本进行全基因组重测序,利用景观基因组学和基因编辑技术,预测和验证了全球小菜蛾的气候适生性。预计在2050年的未来气候背景下,全球大部分地区小菜蛾的栖息地适合度不会发生剧烈变化,很大可能将保持它们现有的为害状态。随着未来温度的升高,小菜蛾的周年适生区将进一步扩大[91]。

气候变化还对昆虫种间关系、多种害虫及其导致的虫媒病害发生,以及“植物-害虫-天敌”关系产生深远影响。气候变化通过改变原有的种间关系,使害虫的优势种发生变迁。马春森研究员团队发现了气候变化驱动麦蚜优势种变迁的生态进化机制。发现禾谷缢管蚜Rhopalosiphumpadi和麦长管蚜耐热性的生态进化过程有明显差异:在经历多次高温选择后,禾谷缢管蚜通过快速进化提高了耐热性,而麦长管蚜则对高温产生了不利的跨代可塑性响应,降低了耐热性。在气候变暖趋势下,相对于麦长管蚜,禾谷缢管蚜具有更强的进化潜力,可能会逐渐取代麦长管蚜在中国小麦种植区的优势种地位[92]。气候变暖改变害虫-天敌种间关系的新机制:与平均温度升高相比,符合自然界气候变化特征的夜间变暖对瓢虫-蚜虫系统产生截然不同的生物学效应。平均温度升高抑制瓢虫对蚜虫的控制作用,而夜间温度升高能够维持这种作用。因此,应在自然变温下研究害虫与天敌关系及害虫生物防治效率[93]。气候变暖还导致虫媒植物病害传播模式的变化。研究发现黑腹果蝇Drosophilamelanogaster和斑翅果蝇D.suzukii共存关系是一种偏利效应,可促进黑腹果蝇的种群增长,但对斑翅果蝇影响不大。气温升高后,斑翅果蝇可在果实表面产生更多伤口,给黑腹果蝇提供更多的产卵地点,从而有利于酸腐病的加速传播[94]。周文武教授团队以“马铃薯-马铃薯块茎蛾Phthorimaeaoperculella-寄生蜂”为模式系统,发现高温处理后植物挥发物释放受到抑制,块茎蛾和赤眼蜂对高温处理植株的选择偏好性均被极大削弱。证明环境高温能影响农作物挥发物的释放,挥发物的类型和含量又会影响作物-害虫-天敌三者的生态关系[95]。

1.2 农业害虫防治新技术和新产品

1.2.1抗虫作物

为防治重大多食性害虫棉铃虫,20世纪90年代末,我国黄河流域率先商业化种植转Bt基因抗虫棉花(简称“Bt棉花”),随后Bt棉花种植面积占比逐年提高,2004年以后基本稳定在100%。大规模种植的Bt棉花在整个农田生态系统中形成了集中“诱卵杀虫”的棉铃虫“死亡陷阱”,从而破坏了棉铃虫季节性寄主转换的食物链,明显减轻了对玉米、花生、大豆等其他寄主作物的为害。近些年,黄河流域棉花种植规模快速压缩,与2007年相比,2019年种植面积下降幅度达80%。陆宴辉研究员团队发现,随着Bt棉花种植面积大幅减少,Bt棉花对农田生态系统中棉铃虫种群发生的控制能力明显减弱,导致棉铃虫区域性种群数量不断增加,2019年棉铃虫成虫上灯数量上升至2007年的1.9倍。Bt棉花对棉铃虫幼虫依然高效控制,因此Bt棉田棉铃虫幼虫为害一直很轻。但玉米、花生、大豆等其他寄主作物上棉铃虫幼虫发生程度、为害损失不断加剧,用于棉铃虫防治的杀虫剂使用量不断增加,2019年杀虫剂的单位面积使用量是2007年的2.0～4.4倍[96]。上述研究进一步证实了Bt棉花对调控棉铃虫区域种群发生的有效性,也为今后Bt作物的科学布局及其在害虫防控中的应用,以及基于农田景观格局的害虫区域防控策略的创新提供了科学借鉴与理论依据。

玉米是当前我国第一大作物,玉米螟、黏虫和棉铃虫等鳞翅目害虫是影响我国玉米生产和品质的主要因素。2018年底,世界重大害虫草地贪夜蛾入侵,加大了害虫对玉米生产的危害程度和粮食安全风险[97]。2019年-2020年,吴孔明研究员团队在我国主要玉米产区系统评价了转cry1Ab与epsps基因抗虫耐除草剂玉米‘DBN9936’和转cry1Ab/cry2Aj与G10evo-epsps基因抗虫耐除草剂玉米‘瑞丰125’对鳞翅目靶标害虫的控制效果,以及在不使用化学杀虫剂情况下的玉米产量和虫害引起的生物毒素含量变化。研究表明,‘DBN9936’和‘瑞丰125’在玉米苗期、拔节期和穗期均有效控制了草地贪夜蛾、玉米螟等鳞翅目害虫的发生与为害。与不施用化学杀虫剂的常规玉米相比,‘DBN9936’和‘瑞丰125’对草地贪夜蛾和玉米螟等鳞翅目害虫的控制效果为61.9%～97.3%,可减少16.4%～21.3%的玉米产量损失。此外,玉米籽粒因虫害引起微生物感染产生的伏马毒素和黄曲霉素等生物毒素的含量降低了85.5%～95.5%[98]。因此,种植Bt抗虫玉米可作为我国草地贪夜蛾等害虫综合治理的关键技术。

1.2.2RNA农药

基于RNAi的害虫控制技术能够起到良好的病虫害控制效果,以RNAi为核心的病虫害防控技术被誉为农药史上的“第三次革命”,但RNA农药的创制仍然存在几个关键的瓶颈问题。

低剂量高效RNAi靶标基因的筛选,获得靶标有害生物高效致死的RNAi靶标基因是研制RNA农药的关键问题之一。目前,已经获得大量重要害虫的靶标基因,但不同种类害虫的RNAi效率不同,限制了其在虫害防控领域的应用。现有研究表明,鞘翅目、直翅目等昆虫RNAi效率高,而一些鳞翅目、半翅目昆虫RNAi效率低,高效致死作用的靶标基因筛选也相对困难,这主要与昆虫肠道环境、RNAi通路机制存在差异相关[99]。在有害生物靶标基因筛选时,需要充分考虑同一靶标基因在不同物种中行使的功能并不完全一致,不同作用机制的靶标基因可能产生抗性程度存在差异,不同物种中RNAi作用机制存在差异等因素均会影响RNAi的致死效果。

RNA农药载体的设计与合成是RNA农药研制的另一个关键问题。靶标有害生物的dsRNA吸收效率低,同时免疫系统会阻止外源dsRNA进入自身细胞并将其降解,从一定程度上降低了基因的干扰效率。近年来,以纳米材料为载体高效携带外源核酸,诱导基因转化和实现高效RNAi已成为国内外研究的热点。目前应用较为成熟的核酸型纳米载体包括壳聚糖、脂质体、聚乙烯亚胺、聚酰胺-胺树枝状聚合物等[100]。在害虫防控领域的研究多以饲喂方式为主,韩召军教授团队于2019年分别利用壳聚糖和脂质体递送dsRNA,饲喂二化螟幼虫,对二化螟的致死率分别达到55%和32%[101]。纳米载体可以高效保护dsRNA免受酶解,大幅提升其在工作环境下的稳定性,同时可以激活细胞的胞吞作用,增加dsRNA的递送效率,但目前应用的纳米载体成本较高,限制了其在病虫害防控领域的应用[102-103]。尹梅贞教授和沈杰教授团队成功开发了农田应用型纳米载体,大幅降低了纳米载体合成成本,创制了一种纳米载体介导的dsRNA经皮递送系统,将纳米载体/dsRNA复合物点滴于靶标有害生物,纳米载体即可高效递送dsRNA,打破昆虫体内的器官基底膜、细胞膜和肠道围食膜等屏障,实现高效的RNAi[104-105]。通过这种简便的体壁渗透法,可实现对害虫靶标基因的高效干扰,为利用害虫关键基因控制其发生为害提供技术支撑。

进行大规模基因功能验证或研发RNA农药离不开高效、经济、简便的dsRNA合成方法。利用大肠杆菌HT115(DE3)可以在低成本的基础上实现dsRNA的量产。HT115(DE3)是一个RNaseⅢ缺陷型菌株,通过在rnc基因内部插入Tn10转座子使其无法表达产生RNaseⅢ,从而避免了dsRNA的降解,可以极大降低合成成本,简化合成步骤。为了进一步提升dsRNA产率,沈杰教授团队建立了一种新型大肠杆菌表达系统,利用基因编辑、同源重组等技术对大肠杆菌BL21(DE3)实施rnc基因的无痕敲除,使其无法表达降解外源dsRNA的RNaseⅢ,再通过构建带有T7启动子的RNAi干扰载体来实现dsRNA的高效表达。新型大肠杆菌表达系统的dsRNA产量可达4.23 μg/mL,约是目前常用的L4440-HT115(DE3)大肠杆菌表达系统的3倍[106]。

1.2.3行为调控产品

近年来,我国引诱剂、食诱剂和迷向剂等行为调控产品及其技术研发进展迅速[107-108],在害虫的监测和防治中广泛应用。根据我国草地贪夜蛾性信息素的地域特异性,鉴定到多个活性新组分,对现有性诱剂进行优化和改造[109-110],开发了适用于我国草地贪夜蛾监测的性诱剂产品[111]。黄勇平研究员团队对酿酒酵母进行改造并转入性信息素合成酶基因,成功以葡萄糖为底物从头合成了棉铃虫的两个主要性信息素组分Z11-16∶Ald和Z9-16∶Ald,使得以低成本大规模生产昆虫性信息素成分变得可行[112]。程代凤教授和陆永跃教授团队揭示了橘小实蝇直肠中的芽胞杆菌协助雄虫合成性信息素的新机制,拓宽了性信息素化合物高效合成的手段[45]。康乐研究员团队发现和确立了4-乙烯基苯甲醚(4VA)是飞蝗群聚信息素,揭示了蝗虫群居的奥秘,为通过群聚信息素调控飞蝗行为奠定了理论基础[113]。杨新玲教授团队以E-(β)-Farnesene、水杨酸甲酯等植物挥发物为靶标进行新活性分子设计和筛选,借助计算机辅助分子设计技术,设计合成了一系列天然植物挥发物水杨酸甲酯的衍生物,成功筛选到具有“推拉”双重作用、且对蜜蜂安全的新型绿色蚜虫控制剂[86]。陆宴辉研究员团队研究发现取食低剂量氯虫苯甲酰胺能显著降低棉铃虫、黄地老虎Agrotissegetum、小地老虎的成虫迁飞能力、繁殖能力及卵孵化率,在生物食诱剂中添加一定量的杀虫剂可以实现高效诱杀鳞翅目害虫成虫,从而实现虫源控制[114-115]。

针对昆虫对特定光波、灯光和颜色的趋性原理,利用诱虫灯和色板来诱杀害虫也是重要的行为调控手段。陈宗懋研究员团队基于茶园主要害虫和茶园优势天敌的趋光光谱差异,确定茶园害虫精准诱杀LED光源,并结合风吸负压装置研发出了窄波LED杀虫灯。针对传统黄板对天敌昆虫有较大误杀的问题,发现红色对茶园膜翅目天敌和瓢虫有驱避作用,研制了黄红双色诱虫板。与市售常规色板相比,夏、秋季黄红双色的天敌友好型色板对小贯小绿叶蝉Empoascaonukii诱捕量分别提升29%、66%,对天敌的诱捕量分别平均下降30%、35%。黄红双色板在春茶结束修剪后使用,可使小贯小绿叶蝉发生高峰期虫口至少减少30%[116]。

多种行为调控技术联合使用可以提高害虫防治效果。雷仲仁研究员团队系统阐述了西花蓟马Frankliniellaoccidentalis的视觉行为反应及对不同波长光波的敏感性差异,明确了诱集蓟马的适宜颜色和最佳波长范围[117];结合引诱剂、增效剂、缓释剂,创新了高效引诱物质与特定波长色板相结合的高效诱虫板生产技术,建立了“粘虫胶和引诱剂的二次喷涂技术流程”,研发出针对蓟马和斑潜蝇的特定波长+诱剂的高效诱捕型蓝板、信息素全降解诱虫板、蝇类特定波长+信息素诱集自动计数装置等多种绿色防控产品,取得了很好的经济、社会和生态效益。

1.2.4生态调控技术

利用生物多样性防控农业害虫是一项安全可行、生态环保的害虫防控技术。在功能植物调节天敌与害虫互作方面,王甦研究员团队发现人工引入功能植物(蜜源和栖境植物等)以及化学诱集物质(人工合成的植物或昆虫化学信息素)等增效因子,通过对天敌昆虫的诱集吸引及营养物质补充等作用,帮助天敌昆虫定殖和扩散,实现可持续控害。化学挥发物的缓释和功能植物可产生交互作用,共同影响天敌昆虫的捕食行为、扩散能力和搜寻猎物的能力,二者合理的空间布局可以显著提升生物防治效果,研究明确了化学信息物与功能植物联用对天敌昆虫生防作用的增效机制[118]。陈巨莲研究员团队发现蚕豆和玉米分别具有作为驱避植物(push)和陷阱植物(pull)的潜力,引入小麦间作系统可用于草地贪夜蛾的防控[119]。麦田区域性适量增施氮肥,土壤碳氮比和麦株游离氨基酸增加,可介导周围麦田瓢虫和寄生蜂密度变化幅度上升和多样性变化幅度下降,所引起的营养级联互作有助于提升农业景观尺度的生物控害作用[120]。

在农作物周边间作套种功能植物或作物生境多样化提升天敌控害功能方面,戈峰研究员团队在作物田间作显花植物,研究其与害虫发生的关系,从科学种草治虫角度,把天敌工厂搬到了田间地头,通过将作物与蛇床Cnidiummonnieri野花带的间作有效控制了小麦和棉花害虫。在有花带的田块中,花带距离地块作物约14.6 m范围内均能有效抑制虫害。花带可增加天敌丰度,显著抑制蚜虫等害虫种群,可有效减少小麦、棉花等作物对杀虫剂的使用需求[121]。在未使用杀虫剂的苹果园中,间作开花功能植物有助于增加瓢虫等捕食者的数量和促进天敌迁移,实现对苹果蚜虫的生物控制[122]。

在农田生态系统调节天敌生态控害功能方面,万年峰研究员团队发现,多物种共同培养的生态系统可显著降低植食性害虫的丰度,增加天敌多样性和丰度,减少杀虫剂的使用量。捕食性天敌昆虫的丰度、物种丰富度(或多样性)与作物产量之间存在显著的正相关关系。与单物种栽培相比,植物多样化的桃园,天敌的丰度增加了38.1%,植食性害虫的丰度减少了16.9%,天敌的水平、垂直、时间和三维生态位通常较宽,而植食性害虫的这些生态位较窄,已证实,植物多样化通过塑造植食性害虫和天敌的生态位来进行生物控害服务[123]。作物、花卉和水生动物的共生系统增加了捕食性天敌的丰度和物种多样性,并促进作物产量提高[78]。在不控制杂草的情况下,大豆与玉米、茄子或大白菜等邻作,可增加捕食性天敌昆虫的数量,减少害虫的数量和对杀虫剂的依赖,提高粮食产量和经济效益[124]。在上海崇明岛稻鱼共作系统促进了捕食性蜘蛛和害虫的空间聚集,增强捕食性蜘蛛、害虫和水稻的三营养级联关系,捕食性天敌对害虫的生物控害减少了害虫的为害,提高了水稻产量[75]。

1.3 农业害虫绿色防控新模式

1.3.1迁飞性草地贪夜蛾分区治理技术体系

2020年初,基于对草地贪夜蛾生物学习性和发生规律的认识,借鉴我国棉铃虫等重大农业害虫防控的经验教训,吴孔明院士提出了中国草地贪夜蛾防控工作“两步走”策略。在入侵初期,实施以化学防治、物理防治、生物防治和农业防治为主的综合防治技术体系,旨在解决短期内生产上草地贪夜蛾为害的应急管控问题。然后通过现代农业信息技术和生物技术的创新与应用,力争在3～5年的时间内构建和实施以精准监测预警、迁飞高效阻截和种植Bt玉米为核心的综合防治技术体系,实现低成本、绿色可持续控制目标[125]。通过全国性联合攻关,取得了系列重要进展。1)研发了基于信息技术、计算机视觉技术的害虫种类自动识别系统,解决了害虫智能化鉴定等技术难点[126-127];研发了高分辨率昆虫雷达数据处理技术,建立了基于昆虫雷达的害虫迁飞路径模拟系统,建立了以昆虫雷达为核心的迁飞种群动态监测技术体系,制定了农业行业标准《草地贪夜蛾测报技术规范》。开发了草地贪夜蛾成虫生殖系统发育等级测定智能化识别系统,构建了综合不同环境因子、生物因子等因素的草地贪夜蛾种群动态预测模型及系统,实现草地贪夜蛾发生地、发生期及发生量的精准预测。2)调查发现了夜蛾黑卵蜂Telenomusremus、斯氏侧沟茧蜂Microplitissimilis等10余种寄生性天敌、球孢白僵菌Beauveriabassiana、莱氏绿僵菌Metarhiziumrileyi等病原微生物,评价了益蝽Picromeruslewisi、蠋蝽Armachinensis等近20种天敌昆虫对草地贪夜蛾的防治潜力,在非洲黏虫Spodopteraexempta中发现了可降低草地贪夜蛾生殖力的新昆虫病毒[128-131]。开发的苏云金芽胞杆菌G033A制剂对草地贪夜蛾的田间防效可达到85%以上,与多种化学杀虫剂联合应用起到了减量增效的作用[132]。3)针对草地贪夜蛾入侵我国后短期内尚无登记农药的现状,第一时间筛选出了有效防治草地贪夜蛾的化学杀虫剂,包括乙基多杀菌素、甲维盐、氯虫苯甲酰胺等,有力支撑了草地贪夜蛾应急防控[133]。优化和创新了玉米喇叭口点施施药技术等高效对靶施药技术[134]。创制出可代替喷雾的微型颗粒剂及其配套的无人机施药技术,防效可达90%,解决了无人机喷雾雾滴难以到达心叶内的关键应用问题,节省药剂、提高防效[135]。

根据草地贪夜蛾发生规律,实施草地贪夜蛾“三区四带”布防阻截策略。西南华南周年繁殖区、江南江淮迁飞过渡区,夯实边境、长江防线,采用灯诱、食诱、性诱等诱杀成虫,生物防治、生态调控、科学用药控制卵和低龄幼虫,层层阻截、压低虫源、减轻危害,延缓北迁。黄淮海等北方重点防范区,筑牢黄河、长城防线,监测诱杀成虫,通过生态调控,天敌保育等方式对连片发生区开展统防统治、零星发生区点杀点治,减少成虫迁入东北、西北玉米产区。在由西南向东北的大致方向上,选择沿平原及山间河谷通道、适宜迁飞高度和主要降落地点,设置长江流域第二道、黄淮海第三道、长城沿线第四道防线,形成了阻截成虫迁飞、降低幼虫危害的布防格局和良好效果。草地贪夜蛾综合防治技术入选农业农村部2021年十项重大引领性技术之一,有效助力草地贪夜蛾科学防控,并被联合国粮农组织在全球范围内推广应用。

同时,筛选出了对草地贪夜蛾具有良好杀虫效果的转Bt基因抗虫玉米[98,136],Bt抗虫玉米的种植需要实施以庇护所为主的靶标害虫抗性治理措施,提出了基于靶标害虫生物学行为和区域性发生特点的,以庇护所种植为核心的靶标害虫抗性管理策略。初步建立了以种植Bt抗虫玉米为核心的跨境跨区草地贪夜蛾防控技术体系,为将来利用Bt抗虫玉米持续治理草地贪夜蛾奠定了科技基础。

1.3.2多食性盲蝽区域防控技术体系

盲蝽寄主植物众多,分布地区广泛,发生规律复杂,防治难度极大,对棉花和果树等产业造成重大影响。由于区域性灾变规律不明和绿色防控关键技术缺乏,长期以来生产上大量地施用化学农药,导致灾情不断扩展、防治成本上升和农药残留超标的被动局面。近年来,吴孔明研究员团队通过系统研究盲蝽的种类组成、为害特征、生物学习性、区域灾变规律、监测预测与防控关键技术,创建了盲蝽多作物全季节区域性绿色防控技术模式。1)阐明了盲蝽种群发展的重要生物学习性与季节性寄主转移为害规律。研究明确了绿盲蝽Apolyguslucorum等5个优势种的地理分布、遗传分化、寄主范围及其交配产卵、迁移扩散、滞育越冬和趋化趋光等生物学习性。解析了盲蝽与寄主植物之间、盲蝽两性之间化学通讯的关键信号物质和嗅觉识别机制,阐明了间二甲苯等植物花源性挥发物质驱动盲蝽成虫依植物花期时序在果树、棉花等寄主间迁移为害的季节性发生规律。2)解析了环境、天敌和种植模式等因素对盲蝽种群的影响及区域性灾变的生态学机制。研究明确了温度、湿度、天敌、寄主植物、种植模式和化学杀虫剂使用等因素对盲蝽种群发生消长的影响。阐明了盲蝽嗜好寄主作物果树种植面积增加,以及棉田杀虫剂用量减少引起棉田“盲蝽诱杀陷阱”作用下降,导致盲蝽类害虫在多作物生态系统区域性暴发成灾的生态学原理。3)突破了盲蝽测报核心技术瓶颈,构建了国家盲蝽监测预警信息平台。研发了优势盲蝽的特异性波长测报灯和性诱监测技术,发展了各发育阶段盲蝽的密度调查方法,建立了盲蝽为害对作物生长影响的评估方法、盲蝽发生期和发生量的预测技术,创建了精准监测与早期预警技术模式。4)创新了盲蝽防治关键技术,建立了多种作物盲蝽绿色防控技术体系。研发了盲蝽性诱技术、灯光高效诱杀技术、天敌扩繁与田间释放技术、诱集植物利用技术、化学杀虫剂抗性监测与治理技术,以及控制早春虫源为主的农业防治技术。集成了利用盲蝽行为趋性诱杀成虫,切断季节性寄主转移为害路径为策略的多作物、全季节、区域性绿色防控技术模式。上述技术体系在全国范围内推广应用,有效控制了多食性盲蝽区域性多作物发生为害。根据Annual Review of Entomology的约稿,系统总结了盲蝽区域防控研究进展[137]。

1.3.3地下害虫韭蛆绿色防控技术体系

韭菜迟眼蕈蚊(俗称:韭蛆)的危害是阻碍我国蔬菜产业可持续发展的重大生物灾害之一。防治韭蛆引发的农残超标或“毒韭菜事件”严重制约我国农产品质量安全。针对上述重大产业问题,张友军研究员团队深入开展了防控韭蛆的理论与技术研究,创造性地构建了以“日晒高温覆膜法”为核心,以种群预警为前提,优先使用物理措施,科学辅助使用昆虫生长调节剂和昆虫病原线虫的韭蛆绿色防控技术体系。具体创新成果如下:1)明确了韭蛆的种类、分布和为害规律,揭示其种群发生的关键生物学特性。发明了鉴定韭蛆种类的方法,明确其不同区域的发生特点、为害规律、空间分布特征与活动节律[138],阐明其交配繁殖特性、耐寒性、飞行特性,以及寄主适应性、发育条件等[139],为韭蛆绿色防控技术的研发提供重要的理论依据。2)阐明了韭蛆周年生活史,揭示其种群暴发为害机制和种群发展的关键制约因子。气候适宜时,韭蛆主要在鳞茎周边为害,干旱、高温或冬季均转入鳞茎内,并以4龄老熟幼虫在鳞茎内越冬和越夏,没有滞育现象[140]。寄主种类、寄主生育期、环境温湿度均显著影响其发生量[141]。明确高温是限制其种群地理分布、抑制其种群增长的关键制约因子。3)创新了韭蛆的关键防治技术,构建其绿色防控技术体系。研发了黑色粘虫板+食诱剂的早期预警技术,填补了韭蛆为害无法早期预警的空白[142]。创造性地发明了“日晒高温覆膜”防治韭蛆新技术,在完全不使用药剂的情况下防治效果高达100%[143],荣获2017年“中国农业农村十大新技术”。同时,依据韭蛆的生物学特性,研发了60～80目防虫网隔离[144]、臭氧水膜下施用[145]、昆虫病原线虫释放[146],以及基于韭蛆抗性监测的高效安全药剂筛选[147]、施药方法创新[148]等系列绿色防控技术。尤其是“日晒高温覆膜”防治韭蛆新技术,可兼治地下不耐高温的其他病虫草害。基于上述防控技术体系,制定了农业行业标准《日晒高温覆膜法防治韭蛆技术规程》和《韭菜主要病虫害绿色防控技术规程》,并分别于2019年和2021年发布实施,为韭蛆防控或韭菜绿色高效生产提供了技术保障,为其他作物土居病虫害的防控提供了借鉴方法。该技术体系大面积推广应用,彻底解决了韭蛆为害与韭菜质量安全问题,荣获2019年国家科技进步奖二等奖。其中,日晒高温覆膜法防治韭蛆技术成为了农业害虫物理防治的典型案例。

1.3.4抗性麦蚜精准化学防控技术体系

针对小麦蚜虫化学防治中的防治药剂品种选用不合理、剂量掌握不准确、施药时机不合适等瓶颈问题,高希武教授团队依据靶标生物-剂量反应的特性,优选适合的农药品种、确定最佳施药剂量、阐明抗药性机理、探明合适的用药时期等方面展开了系统的关键技术及应用研究。1)首次揭示了杀虫药剂导致麦长管蚜和禾谷缢管蚜作为优势种生态竞争的机制以及杀虫剂亚致死剂量对两种麦蚜种群生命表参数及生态竞争的影响,吡虫啉的暴露同时干扰麦蚜种内和种间的竞争取向,麦长管蚜优势持续时间可达14 d,禾谷缢管蚜种群的增长受到抑制,该结论为针对麦蚜优势种的防控药剂品种和剂量选择提供了依据[149],有效指导了农业农村部的小麦“一喷三防”中麦蚜防控药剂的品种和剂量的选择。2)首次解析了麦蚜中Ace1而不是Ace2编码的AChE是有机磷和氨基甲酸酯类农药的主要分子靶标,在生物学和毒理学功能中发挥关键作用,而RpAce2和SaAce2基因编码的AChE2在这两种麦蚜中发挥互补的生物学和毒理学功能,为解析其抗药性机制以及防控药剂研发、登记奠定了理论基础。3)发明了玻璃管药膜法,在近600条毒力回归线分析的基础上首次建立了包括新烟碱类、吡啶类、氨基甲酸酯类、有机磷类和拟除虫菊酯类共22种杀虫剂对禾谷缢管蚜和麦长管蚜的敏感基线,该方法使检测时间从传统测定方法的24～72 h,缩短到3 h,检测成本仅为传统方法的十分之一,为麦蚜的抗药性监测、治理提供了药剂敏感度比较的科学依据。同时发明的玻璃管药膜法写入农业农村部的行业标准,并被指定为麦蚜抗药性的监测方法。我国麦蚜的发生世代与用药窗口对接为苗期以及生长中后期两个阶段,结合药剂风险评价以及亚致死剂量对种群的影响,明确了我国麦蚜的化学防治适合预防性抗药性治理策略[150-151]。4)依据麦蚜发生的生物学特点、对药剂敏感度的时空变异以及抗药性机制等特性,指导了麦蚜防控药剂的研发、登记;构建了小麦种子处理到旗叶穗部喷雾的全生育期麦蚜的精准化学防控关键技术体系[152-153]。依据对两种麦蚜12年的抗药性监测结果以及室内抗药性机制研究,通过诊断试剂盒选药和剂量调控、抗药性风险评价、标准制定等关键技术模块组建了麦蚜的精准化控关键技术体系[154-155]。抗性监测结果表明,预防性抗药性治理在全国主要小麦产区实施后,麦蚜对吡虫啉、抗蚜威等药剂均没有产生明显的抗性。在小麦主产区大面积推广应用,取得了较好的经济效益和显著的社会效益。该研究作为农业害虫抗药性治理的成功案例,荣获2020-2021年度神农中华农业科技奖科学研究类成果一等奖。

2 研究展望

近年来,我国农业害虫综合防治研究发展迅速,科研成果丰硕。在基础研究领域取得了系列原创性成果,一批重要研究成果在Cell、Nature、PNAS、Annual Review of Entomology等国际知名期刊上发表。同时,农业害虫监测预警与绿色防控技术产品、技术模式的创新及应用成效显著,特别是对重大害虫草地贪夜蛾的跨境跨区迁飞成灾规律解析、空天地一体化监测技术体系构建、分区布防阻截策略以及综合防治技术体系创新,为我国有效防控草地贪夜蛾提供了强有力的科技支撑,打造了国际上成功治理跨境迁飞性害虫的样板,被联合国粮农组织在全球范围内进行推荐。我国农业昆虫学总体水平进入了世界第一方阵,以并跑与领跑为主,但在部分领域与国际最前沿仍存在较大差距。比如,我国农业害虫防控基础研究在原创性、前瞻性领域还有较大提升空间,尤其在系统性、延续性和长期性上存在明显不足。我国在农业害虫防控关键技术的积累和储备仍然不足,技术研发、产品产业化的能力与水平有待提高,部分核心技术产品开发及产业化还面临瓶颈和挑战。绿色防控技术离标准化、规范化差距较大,使用效果未得到充分发挥。针对一种作物上的多种害虫及其他有害生物,系统解决方案与技术模式明显缺乏。同时,多食性害虫在多作物生态系统中的区域性治理、迁飞性害虫跨境跨区联防联控等科技瓶颈有待全面突破。

面对我国农业害虫发生危害的新形势与新变化以及农业绿色高质量发展的新要求与新标准,我们应继续加强原始创新和突破科技瓶颈,创新农业害虫防控理论与对策,构建新形势下农业害虫绿色防控技术体系,为保障国家粮食安全、生物安全、生态安全和农产品质量安全,促进农民增收和农业增效提供重要科技支撑。

2.1 农业害虫发生新规律与新机制

加强交叉学科的发展。近年来,交叉学科研究的优势逐渐显现,引起各个研究领域的持续跟进。伴随着后基因组时代的开启,全基因组关联分析、蛋白组学、表观修饰组学、代谢组学等多组学大数据联合分析成为推动多领域交叉研究、发掘关键调控基因的有效手段,也为环境、昆虫、植物、微生物等多因素交互作用机制的深入研究提供了可能[156-158]。今后,在解析害虫发育、进化等遗传调控基础理论研究的同时,通过结合新技术和方法手段,针对区域特定气候、作物布局等条件下开展害虫的灾变规律的精准解析研究,为作物种植布局的优化提供理论指导,并借助关键调控基因的挖掘,加强作物种质资源开发利用,逐步推进害虫绿色立体防控的综合建设[159-160]。通过学科交叉,实现生物技术、信息技术等多领域科技融合,宏观、微观等不同层级信息贯通,从而提升农业昆虫学研究的原创性[66,161]。

重视新兴领域的拓展。新兴领域的不断涌现不仅开拓了农业害虫发生规律与灾变机制的研究,同时也为防控理念和技术创新提供了新的增长点。如昆虫-共生菌互作的研究是生命科学的国际前沿研究领域。研究害虫-共生菌互作的机制为揭示农业害虫为害成灾机理开辟一个新方向,为制定害虫科学防控策略提供一套新方案,具有十分重要的理论和实践意义[162-164]。对害虫与寄主植物的化学通讯机制的深入了解为在反向化学生态学研究的基础上,以嗅觉基因或神经为靶标高通量筛选害虫嗅觉行为调控剂提供了理论基础和技术手段,是今后开发行为调控产品的有效手段[165]。跨物种水平基因转移现象是最新被开辟的一个昆虫学的国际基础前沿研究领域,而对昆虫中微生物源/植物源跨物种水平转移基因的深入探索也将为害虫灾变机理和绿色精准防控提供全新的研究思路和靶标途径[165-166]。

强化产业需求的导向。作为一门应用学科,农业害虫的基础研究需要紧密结合农业生产实际,通过解析重大害虫发生新规律与新机制,促进更加科学、更加精准的害虫防控技术创新。这也将是破解当前昆虫基础研究发展快、但害虫防控技术方法和实践模式推陈出新和落地难“两张皮”问题的主要出路。

2.2 农业害虫防治新技术与新产品

创制智能监测预警技术。针对草地贪夜蛾,我国自2018年起在西南边境地区提前预警防范,确保监测预警到位,做到其在入侵第一时间即被发现。入侵我国后,第一时间在全国各省(区)设立重点监测点,以昆虫雷达高空监测,结合性诱、高空测报灯和地面黑光灯/灯诱自动虫情测报系统等技术手段,构建“天空地”一体化监测预警体系,将大量监测点和智能化监测设备聚点成网,系统监测、准确掌握草地贪夜蛾种群迁飞动态,为科学高效绿色防控提供强有力的监测预警支撑。草地贪夜蛾防控实践再次证明了监测预警对重大农业害虫科学防控的极端重要性。今后应系统研究重大迁飞性害虫的发生、跨境迁飞、演化规律,研发种群动态精准监测技术,建立智能化物联网自动监测预警系统,提高害虫预测精度和准确度。进一步发展基于物联网智能感知、智能遥感、人工智能、大数据、AI深度学习等前沿融合新技术、深度挖掘全国多年海量害虫监测历史大数据,融合智能化“天空地”一体化的监测预警新技术与新产品,以农业害虫监测预警生产需求为导向,统筹谋划农业害虫“一体化监测、一盘棋调度、一张图指挥”,构建农业害虫智能化实时监测预警体系[167]。提高害虫监测预警设备的智能化水平,系统优化害虫监测预警智能手段和方法,研发构建害虫发生综合影响因子多源数据库及其数值化预测模型,整合升级并建成“应用技术标准统一、设备无缝对接、数据共通共享和功能优化集成”的全国农业重大害虫数字化精准监测预警平台,提高对跨区域迁飞性重大害虫和区域性本地害虫监测预警的高效性、广泛性和准确性,进一步推进害虫监测预警新技术与新产品发展和应用。

创新绿色防控技术产品。农业害虫绿色防控的解决方案中,生物防治剂和信息素等产品技术在害虫管理中日益得到重视,生物技术和合成生物学的发展为绿色高效控制农业害虫的新方法提供了新思路、新技术和新产品。随着大数据计算技术、生物技术和合成生物学的发展,为农业病虫害高效绿色防控提供转基因抗病虫植物新品种和新型替代合成化学新产品。在新一代转基因抗虫Bt作物中,具备杀虫活性的多个Cry蛋白被商业化应用后,须强化靶标害虫对转基因作物的抗性监测,发展适合中国国情的高剂量/庇护所抗性治理对策[168]。此外,利用基因组编辑技术开发新一代抗虫作物新品种,发展利用RNAi技术防治农业害虫[169]。为了使昆虫能够有效地摄取dsRNA,开发合成和递送dsRNA的策略和技术,如发展表达同源dsRNA的转基因植物的宿主诱导基因沉默(HIGS)技术和利用异源表达系统生产高浓度的dsRNA,纯化后直接喷雾使用的喷雾诱导基因沉默(SIGS)技术。目前,dsRNA吸收率低和易被核酸酶降解仍是影响RNAi效率的挑战。通过开发新型纳米材料助剂,改善喷雾配方来解决dsRNA的稳定性和吸收问题[170]。利用合成生物学,发展控制昆虫种群的昆虫不育法(SIT)遗传技术。开发释放携带显性致死基因昆虫的技术(RIDL)是改进传统SIT的重要手段之一,包含四环素调控系统、特异性启动子、性别特异剪接系统和特异性致死基因等重要元件,根据不同昆虫选择合适的特异性致死基因构建遗传不育品系[170]。发展生物制造新兴技术,制造害虫防治新产品。利用微生物作为基础,生产生物天然产品;开发构建植物工厂生产生物活性或杀虫化合物,如利用植物合成代谢,制造合成昆虫性信息素在内的新型昆虫控制化学物质与工厂化产品[171]。将新兴的遗传和基因组方法应用于生物防治剂,开发升级有效的生物防治策略,对真菌、细菌、病毒和线虫等昆虫病原制剂进行生物技术改造,以提高生物防治的功效和利用率。利用合成生物学和代谢工程技术扩大害虫防控复杂分子的多样性,制定发展生物经济的战略,发展生物制造的创新,将增加商业化规模生产的可行性。合成生物学等新兴科技为探索害虫控制新方法提供了多种选择。

2.3 农业害虫绿色防控新模式

创新区域绿色防控技术体系。围绕农业生态系统,发展多种作物系统,多个重大害虫绿色防控系统的新模式。IPM从以单种害虫为防控对象转变为以一种作物的多种重要害虫为防控对象,进一步升级发展为以区域生态系统的多种作物的复合害虫为对象进行系统治理,第三阶段将是当前及今后农业害虫绿色防控新模式探索发展的重点[172]。作物种植结构调整过程中农业生态系统不同尺度上植物种类组成、生境分布格局、作物管理方式显著变化是影响农田害虫地位演替的关键因素。系统运用生态进化反馈理论和农田生态系统多作物多病虫复合群落理论,整合生态系统中的食物网互作关系,同时结合区域农田生境的优化、生物多样性的维持、关键害虫种群的控制、天敌种群的保育及生态服务功能的发挥,发展基于农田生态系统生物多样性、景观生态服务功能驱动害虫生态调控的农业害虫绿色防控新模式。针对不同区域农业生态系统典型特点及其种植模式,分别以作物、靶标害虫、核心技术、农业生产要求为主线,提出相应的农业害虫绿色防控技术模式,建立和完善分区农业害虫绿色防控新模式和新体系。

创新跨区协同治理技术体系。全球范围内,将农业害虫应对全球气候变化的科学研究应用于指导气候变化和种植结构调整下农业害虫的监测预警和绿色防控的实践,仍然是当前及今后长期关注的热点和难点问题。集成与开发农业害虫绿色防控技术模式,创新推广机制,发展区域协同、跨区域联网与国际协作,构建联防联控的农业害虫绿色防控新格局。针对草地贪夜蛾、草地螟、飞蝗、稻飞虱等重要害虫存在跨国界的迁移为害,其跨区域发生规律和防控研究需要相关国家的广泛参与,需要与周边各国建立双边或多边合作、开展跨区域联合监测,将监测预警和绿色防控关口前移到虫源发生地,实现跨区跨境迁飞性重大害虫绿色高效治理,打造出国际上成功治理跨境迁飞性害虫的样板,发展跨区域联网与国际协作,构建联防联控农业害虫绿色防控新格局并在全球范围内进行拓展和推广。