作物病虫害导向性防控

钱韦  曲静  康乐

生物信息流操纵：作物病虫害导向性防控的新科学

中国科学院院刊，2017，32(8):805-813.

导 读

对作物－昆虫－病原微生物生物间信息流及行为进行操纵将会是下一代病虫害防治学术思想的重大突破。

什么是生物信息流

在生物圈中，没有任何一种生物能够孤立地生存于非生物的理化环境之中，它必须与周围的其他生物及环境产生相互作用和紧密联系。这些联系及生物间的相互作用构成了寄生、互惠、共生、竞争、拮抗等生态和协同进化关系，而生物之间传递的信息流则决定了这些关系的实质，其传递规律是任何生命存在与进化的基本法则。

有据于此，从生物间相互关系的角度重新审视作物－昆虫－病原微生物的关系就会发现，种内、种间关系与生物间信息流的传递是决定三者间相互关系最重要的因素。

生物间信息流是指生物信号以物理、化学形式在物种之间产生、传递、交流、修饰、翻译、抑制的路径、过程与控制。

为什么昆虫的抵抗力越来越强？病毒是帮凶！

以作物－媒介昆虫－植物病毒这三者间的关系为例：作物释放的物理和化学信息能够被媒介昆虫识别，吸引昆虫的移动、迁飞并寄居在植物上，在取食植物的同时传播病原微生物。

在此过程中，植物受到物理损伤后，会经由茉莉酸等激素信号转导途径启动抗虫相关基因的表达，通过增加萜烯类化合物、单宁、黄酮或多酚等化合物的含量等方式进行抗虫防卫反应。

有意思的是，目前已经发现，昆虫携带的病毒经取食进入到植物中后，会通过病毒编码的蛋白干扰植物的多种信号转导途径，抑制植物抗虫相关基因的表达和化合物的合成，因而有利于昆虫的取食并造成其种群扩大、成灾。

由这一实例可见：病毒需要通过昆虫取食才能侵染植物寄主；病毒的内共生也有利于昆虫克服植物抗虫防卫体系。植物、媒介昆虫和病毒之间形成了复杂的共生和寄生关系。

那么问题来了：这些复杂的生物关系中，病毒如何识别昆虫并特异性地寄生于昆虫体内？昆虫如何识别特定的寄主植物进行取食，同时又帮助病毒传染寄主植物？植物如何识别昆虫和病毒，从而启动相应的抗病、虫防卫反应体系？

这些有关种间信息的识别、解码、信号转导与反应的科学问题决定了作物－媒介昆虫－植物病毒之间的关系，最终决定作物受昆虫和病毒危害的程度与范围。

农药越喷越多，人类目前也很无奈啊

需要指出的是，对于上述物种间的相互作用关系，人类的理解还非常薄弱。正是由于这一原因，限制了我们利用先进科学手段对这些相互作用关系进行精确的操纵，因而被迫采取了无选择“杀灭”的方式进行作物病虫害防治。这是作物病理和作物保护学科发展的历史性局限。

对生物间信息流及其调控的理解能够科学地指导防治策略。例如，长期、单一、反复使用化学农药，已导致多种病虫害产生抗药性和耐药性。这主要是由于目前使用的绝大多数化学农药采取的是非特异性毒杀的方法。在自然选择压力的作用下，病虫害中自发产生的耐药性相关遗传变异能够迅速在种群内获得选择上的有利性而被固定下来，加速了耐药性的进化。

与此同时，在病原微生物群体中，由于微生物群体内存在个体间水平基因转移现象，耐药性相关基因能够在极远缘的病原微生物之间进行遗传交换，这进一步加快了耐药性的产生。正因如此，传统“杀灭”病虫害的技术策略只能在短期内取得极其有限的效果。

少喷药还不减产，切断“三角关系”是个新思路

对于这一难题，科学家已经提出了新的策略：在进行新型化学药物筛选时，如果理解了生物间信息流的方向与调控，有目的地筛选仅阻断种间识别与响应过程，但不影响病虫害其他生理与代谢过程的特异性化合物。

使用这类新的化学农药将使病虫害面临的自然选择压力较小，在对病虫害进行精准防治，控制其种群大小的同时，减慢耐药相关基因在种群内的固定过程，能够有效地避免耐药性快速进化。因此，深入理解生物间信息流是发展革命性病虫害防控技术的关键环节。

在此基础上，对作物－昆虫－病原微生物生物间信息流及行为进行操纵将会是下一代病虫害防治学术思想的重大突破。在该学术思想的指导下，相应的理论体系和防治技术平台建设将会改变以往化学防治、生物防治和综合防治中存在的固有缺点，为作物病理学基础理论和病虫害田间防控做出卓越贡献，对于保障粮食、食品安全具有重大指导和战略意义。

吃饱了饭，仍要重视潜在的粮食供应风险

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中国是当今世界************的人口大国和农业大国。1994年莱斯特·布朗提出关于“谁来养活中国”这个问题之后，该问题一直是全世界密切关注的焦点。

粮食供应是决定世界各国战略发展的最重要保障，为了确保我国的粮食安全，《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020年）》把“农业科技整体实力进入世界前列，促进农业综合生产能力的提高，有效保障国家食物安全”确立为我国科技发展总体目标之一。

虽然国际上也认为中国是未来世界粮食增产的主要区域之一（左图红色部分），但是对比中国主粮作物主要病虫害危害分布图（右图）可以看出，该区域与国际预测的增产区几乎完全重叠。这预示着我国粮食增产稳产存在着很大的风险，受到作物病虫害发生规模、频率的严重制约。

而从历史上看，作物病虫害从来都是威胁我国乃至全世界农业生产的重大自然灾害，也是导致人类社会动荡和人口剧减的主要原因之一。

请看我国作物病虫害发生防治形式的严峻形式：

产量损失特别巨大

即使在全力防控的背景下，全国因病虫害造成的产量损失仍高达每年4000万－6000万吨，占总产量的8%－10%，足够1.5亿－2.0亿人一年的口粮！！

随着气候变化、轻型栽培技术使用和单一遗传背景品种的推广，以往零星出现的作物病虫害（如水稻纹枯病、矮缩病、棉花黄萎病、小麦赤霉病、玉米粘虫等）连年暴发成灾，防治形势逐年加重。

环境污染问题日趋严峻

在全世界生产使用的农药中，我国的使用量约占1/3，排名************。

滥用农药和农药残留对公共卫生、自然环境、内外贸易和社会经济造成了极其严重的影响，食品安全已成为全社会密切关注的重大民生问题。

缺乏核心技术创新能力

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当前绝大多数病虫害防治的策略和技术均由国外先进国家提出并发展成熟，我国总体上处于低水平模仿仿制阶段。例如，美国现代农药的年产值已经达到96亿美元。我国虽然是农药使用大国，但年产值仅18亿美元，且多数产品无核心知识产权，技术开发能力差距显著。‍

精准防控，发展革命性新技术

在巨大的粮食产量压力下，当前病虫害防治的核心思想仍然是简单杀灭，技术上主要依靠以病虫害基础代谢过程和神经相关受体等为靶标的化学农药，忽视生物间存在的相互关系和信息传递，这是导致一系列严重问题的根本原因。

尽管我国启动了到2020年化肥、农药零增长行动方案，也设立了相应的国家重点研发计划，对农药的科学合理使用进行深入研究，但考虑到当前农药使用的可选择性和使用现状，要达到上述目标尚需做出艰苦的努力。

未来作物病虫害防治思想、基础理论和技术发展将往何处去？如何把综合防治中维护生态平衡的思想优势与化学防治方法简便、易行和有效的优点有机地结合在一起？

与此同时，发展具有革命意义的作物抗病虫害技术，摈弃低效、复杂、严重影响环境和威胁人类健康的固有技术缺陷，是当代生命科学基础和应用基础研究面临的重大科学问题之一。

作者介绍：

钱韦  中科院微生物所研究员，植物基因组学国家重点实验室副主任，农业微生物与生物技术研究室副主任兼学术秘书。

‍‍康乐  男，中科院院士，发展中国家科学院院士，中科院动物所研究员，我国著名生态学家和昆虫学家。现任河北大学校长、中科院动物所所长、中科院北京生命科学院院长、中国科学院大学生命科学院院长，中国科学院大学学位委员会副主任。长期从事生态基因组学研究，是国际上生态基因学研究的领衔科学家、国家"973"项目首席科学家和基金委创新团队学术带头人，也是国际上几个重要学术期刊的主编和编委‍。2008年被国际昆虫学会选举为执行理事，‍2009年获美国内布拉斯加大学荣誉科学博士，‍2011年获何梁何利生命科学与技术进步奖，2013年获美国昆虫学会颁发的杰出科学家奖‍‍，‍‍2015年获选美国昆虫学会会士和第八届“谈家桢生命科学奖”成就奖。