作物病蟲害導向性防控

錢韋  曲靜  康樂

生物信息流操縱：作物病蟲害導向性防控的新科學

中國科學院院刊，2017，32(8):805-813.

導 讀

對作物－昆蟲－病原微生物生物間信息流及行為進行操縱將會是下一代病蟲害防治學術思想的重大突破。

什么是生物信息流

在生物圈中，沒有任何一種生物能夠孤立地生存于非生物的理化環境之中，它必須與周圍的其他生物及環境產生相互作用和緊密聯系。這些聯系及生物間的相互作用構成了寄生、互惠、共生、競爭、拮抗等生態和協同進化關系，而生物之間傳遞的信息流則決定了這些關系的實質，其傳遞規律是任何生命存在與進化的基本法則。

有據于此，從生物間相互關系的角度重新審視作物－昆蟲－病原微生物的關系就會發現，種內、種間關系與生物間信息流的傳遞是決定三者間相互關系最重要的因素。

生物間信息流是指生物信號以物理、化學形式在物種之間產生、傳遞、交流、修飾、翻譯、抑制的路徑、過程與控制。

為什么昆蟲的抵抗力越來越強？病毒是幫兇！

以作物－媒介昆蟲－植物病毒這三者間的關系為例：作物釋放的物理和化學信息能夠被媒介昆蟲識別，吸引昆蟲的移動、遷飛并寄居在植物上，在取食植物的同時傳播病原微生物。

在此過程中，植物受到物理損傷后，會經由茉莉酸等激素信號轉導途徑啟動抗蟲相關基因的表達，通過增加萜烯類化合物、單寧、黃酮或多酚等化合物的含量等方式進行抗蟲防衛反應。

有意思的是，目前已經發現，昆蟲攜帶的病毒經取食進入到植物中后，會通過病毒編碼的蛋白干擾植物的多種信號轉導途徑，抑制植物抗蟲相關基因的表達和化合物的合成，因而有利于昆蟲的取食并造成其種群擴大、成災。

由這一實例可見：病毒需要通過昆蟲取食才能侵染植物寄主；病毒的內共生也有利于昆蟲克服植物抗蟲防衛體系。植物、媒介昆蟲和病毒之間形成了復雜的共生和寄生關系。

那么問題來了：這些復雜的生物關系中，病毒如何識別昆蟲并特異性地寄生于昆蟲體內？昆蟲如何識別特定的寄主植物進行取食，同時又幫助病毒傳染寄主植物？植物如何識別昆蟲和病毒，從而啟動相應的抗病、蟲防衛反應體系？

這些有關種間信息的識別、解碼、信號轉導與反應的科學問題決定了作物－媒介昆蟲－植物病毒之間的關系，最終決定作物受昆蟲和病毒危害的程度與范圍。

農藥越噴越多，人類目前也很無奈啊

需要指出的是，對于上述物種間的相互作用關系，人類的理解還非常薄弱。正是由于這一原因，限制了我們利用先進科學手段對這些相互作用關系進行精確的操縱，因而被迫采取了無選擇“殺滅”的方式進行作物病蟲害防治。這是作物病理和作物保護學科發展的歷史性局限。

對生物間信息流及其調控的理解能夠科學地指導防治策略。例如，長期、單一、反復使用化學農藥，已導致多種病蟲害產生抗藥性和耐藥性。這主要是由于目前使用的絕大多數化學農藥采取的是非特異性毒殺的方法。在自然選擇壓力的作用下，病蟲害中自發產生的耐藥性相關遺傳變異能夠迅速在種群內獲得選擇上的有利性而被固定下來，加速了耐藥性的進化。

與此同時，在病原微生物群體中，由于微生物群體內存在個體間水平基因轉移現象，耐藥性相關基因能夠在極遠緣的病原微生物之間進行遺傳交換，這進一步加快了耐藥性的產生。正因如此，傳統“殺滅”病蟲害的技術策略只能在短期內取得極其有限的效果。

少噴藥還不減產，切斷“三角關系”是個新思路

對于這一難題，科學家已經提出了新的策略：在進行新型化學藥物篩選時，如果理解了生物間信息流的方向與調控，有目的地篩選僅阻斷種間識別與響應過程，但不影響病蟲害其他生理與代謝過程的特異性化合物。

使用這類新的化學農藥將使病蟲害面臨的自然選擇壓力較小，在對病蟲害進行精準防治，控制其種群大小的同時，減慢耐藥相關基因在種群內的固定過程，能夠有效地避免耐藥性快速進化。因此，深入理解生物間信息流是發展革命性病蟲害防控技術的關鍵環節。

在此基礎上，對作物－昆蟲－病原微生物生物間信息流及行為進行操縱將會是下一代病蟲害防治學術思想的重大突破。在該學術思想的指導下，相應的理論體系和防治技術平臺建設將會改變以往化學防治、生物防治和綜合防治中存在的固有缺點，為作物病理學基礎理論和病蟲害田間防控做出卓越貢獻，對于保障糧食、食品安全具有重大指導和戰略意義。

吃飽了飯，仍要重視潛在的糧食供應風險

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中國是當今世界************的人口大國和農業大國。1994年萊斯特·布朗提出關于“誰來養活中國”這個問題之后，該問題一直是全世界密切關注的焦點。

糧食供應是決定世界各國戰略發展的最重要保障，為了確保我國的糧食安全，《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006－2020年）》把“農業科技整體實力進入世界前列，促進農業綜合生產能力的提高，有效保障國家食物安全”確立為我國科技發展總體目標之一。

雖然國際上也認為中國是未來世界糧食增產的主要區域之一（左圖紅色部分），但是對比中國主糧作物主要病蟲害危害分布圖（右圖）可以看出，該區域與國際預測的增產區幾乎完全重疊。這預示著我國糧食增產穩產存在著很大的風險，受到作物病蟲害發生規模、頻率的嚴重制約。

而從歷史上看，作物病蟲害從來都是威脅我國乃至全世界農業生產的重大自然災害，也是導致人類社會動蕩和人口劇減的主要原因之一。

請看我國作物病蟲害發生防治形式的嚴峻形式：

產量損失特別巨大

即使在全力防控的背景下，全國因病蟲害造成的產量損失仍高達每年4000萬－6000萬噸，占總產量的8%－10%，足夠1.5億－2.0億人一年的口糧??！

隨著氣候變化、輕型栽培技術使用和單一遺傳背景品種的推廣，以往零星出現的作物病蟲害（如水稻紋枯病、矮縮病、棉花黃萎病、小麥赤霉病、玉米粘蟲等）連年暴發成災，防治形勢逐年加重。

環境污染問題日趨嚴峻

在全世界生產使用的農藥中，我國的使用量約占1/3，排名************。

濫用農藥和農藥殘留對公共衛生、自然環境、內外貿易和社會經濟造成了極其嚴重的影響，食品安全已成為全社會密切關注的重大民生問題。

缺乏核心技術創新能力

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當前絕大多數病蟲害防治的策略和技術均由國外先進國家提出并發展成熟，我國總體上處于低水平模仿仿制階段。例如，美國現代農藥的年產值已經達到96億美元。我國雖然是農藥使用大國，但年產值僅18億美元，且多數產品無核心知識產權，技術開發能力差距顯著。?

精準防控，發展革命性新技術

在巨大的糧食產量壓力下，當前病蟲害防治的核心思想仍然是簡單殺滅，技術上主要依靠以病蟲害基礎代謝過程和神經相關受體等為靶標的化學農藥，忽視生物間存在的相互關系和信息傳遞，這是導致一系列嚴重問題的根本原因。

盡管我國啟動了到2020年化肥、農藥零增長行動方案，也設立了相應的國家重點研發計劃，對農藥的科學合理使用進行深入研究，但考慮到當前農藥使用的可選擇性和使用現狀，要達到上述目標尚需做出艱苦的努力。

未來作物病蟲害防治思想、基礎理論和技術發展將往何處去？如何把綜合防治中維護生態平衡的思想優勢與化學防治方法簡便、易行和有效的優點有機地結合在一起？

與此同時，發展具有革命意義的作物抗病蟲害技術，擯棄低效、復雜、嚴重影響環境和威脅人類健康的固有技術缺陷，是當代生命科學基礎和應用基礎研究面臨的重大科學問題之一。

作者介紹：

錢韋  中科院微生物所研究員，植物基因組學國家重點實驗室副主任，農業微生物與生物技術研究室副主任兼學術秘書。

??康樂  男，中科院院士，發展中國家科學院院士，中科院動物所研究員，我國著名生態學家和昆蟲學家?，F任河北大學校長、中科院動物所所長、中科院北京生命科學院院長、中國科學院大學生命科學院院長，中國科學院大學學位委員會副主任。長期從事生態基因組學研究，是國際上生態基因學研究的領銜科學家、國家"973"項目首席科學家和基金委創新團隊學術帶頭人，也是國際上幾個重要學術期刊的主編和編委?。2008年被國際昆蟲學會選舉為執行理事，?2009年獲美國內布拉斯加大學榮譽科學博士，?2011年獲何梁何利生命科學與技術進步獎，2013年獲美國昆蟲學會頒發的杰出科學家獎??，??2015年獲選美國昆蟲學會會士和第八屆“談家楨生命科學獎”成就獎。