科学网—“候鸟”式奔波探究虫口夺棉
吴孔明（右二）与团队成员一起观察棉铃虫饲养情况。课题组供图
■本报记者 甘晓
6月中旬，新疆库尔勒的棉田里，棉花进入一年一度的蕾花期。棉铃正在快速生长，它们逐渐膨大、成熟，而后脱水吐絮，完成生长季。此时，嫩而多汁的棉铃，也为棉花害虫的生长提供了优渥条件。
站在熟悉的棉田里，中国农业科学院植物保护研究所（以下简称植保所）研究员陆宴辉注意到棉花蚜虫种群的些许变化。他与远在北京实验室的同事们进行交流，以获得有关棉花及其害虫之间的新规律。
2014年以来，在连续两期国家自然科学基金创新研究群体项目（以下简称创新群体项目）支持下，植保所研究员、中国工程院院士吴孔明带领陆宴辉等科研人员，围绕“棉花—害虫—天敌的互作机制”开展研究。
三代人的奋斗
1997年，我国开始商业化种植转基因抗虫棉花“Bt棉花”。这是一种经过基因工程改造的可以表达苏云金杆菌蛋白（Bt）的棉花，目的是让Bt蛋白杀死棉铃虫，实现在减低农药需求的同时提高棉花产量。
2014年，全国Bt棉花面积近400万公顷。为探索Bt棉花种植中的基础科学问题，国家自然科学基金启动创新群体项目“棉花—害虫—天敌的互作机制”。
回顾历史，我国植物保护领域三代人的奋斗和智慧凝聚其中。1950年，我国植物保护学科奠基人之一的齐兆生留学英国后回国，组建了植保所棉花害虫实验室，发明了化学农药处理种子通过内吸传导防治蚜虫的方法。随后的30年里，实验室完成了棉花害虫化学防治技术体系的研发。
上世纪80年代末到90年代，由中国工程院院士郭予元牵头，研究团队发展了棉花害虫综合防治技术体系。“控制棉铃虫猖獗危害配套综合防治关键技术”“中国主要粮棉作物病虫害综合防治技术体系的创建和成效”先后获得国家级和原农业部奖励。
2000年以来，接力棒交到吴孔明手中。“Bt棉花的种植让棉花产区形成了新的农业生态系统，这种以转基因技术产品为核心的生态系统不可避免地改变了传统生态系统中的物种关系。”吴孔明向《中国科学报》表示。
那么，棉花、害虫与天敌之间，会呈现出什么样的新关系？Bt棉花要如何开展大面积种植，才能真正实现既不危害生态系统、又不遭受害虫侵害？这些问题无疑向植物保护学者提出了新的挑战。
从基因到生态系统
创新群体项目执行6年来，研究人员从基因、个体到种群、群落，再到生态系统，开展了从微观到宏观的全尺度研究。
在基因层面，研究主要在实验室里围绕棉铃虫的抗性机制展开。和细菌对抗生素的抵抗一样，棉铃虫作为一个物种，也有很强的“求生欲”——它们长期食用Bt棉花后进化出抗性，导致Bt蛋白丧失杀虫活性。
吴孔明介绍，研究人员从生理机制、分子机制入手，阐明了由钙黏蛋白CAD、转运蛋白ABC、polycalin蛋白等基因突变介导的棉铃虫、红铃虫对Bt棉花抗性演化的机制。同时，还验证了CRISPR/Cas9技术应用于棉铃虫Bt抗性分子机制研究的可行性。
种群层面的研究则在田间进行。2005—2017年，研究人员系统监测我国13个省区市的221个棉铃虫田间种群对Bt-Cry1Ac蛋白的抗性水平，进而明确抗性演化趋势。数据表明，田间棉铃虫种群对Cry1Ac的敏感性水平降低，但尚未产生明显的抗性，Bt棉花仍然可以高效控制棉铃虫的发生与危害。
生态系统层面的空间尺度更大，土地利用、Bt棉花种植、气候条件等因素对棉花害虫种群调控作用机制，以及由盲蝽发生加重导致的Bt棉田害虫种群地位演替新机制等问题得以阐明。
“团队中，研究人员在田间与实验室开展各自的工作，同时保持着紧密协作。”陆宴辉告诉《中国科学报》。他自2011年起就在新疆的试验基地开展田间工作，观察、总结棉花害虫呈现出的新现象，凝练科学问题，与团队其他成员一起在田间、在实验室中解决这些问题。
在他的课题组里，研究生们像大雁一样随着棉花生长的周期“迁徙”。3月份到9月份的棉花生长季，他们都在新疆棉田里；9、10月份则回到北京一头扎进实验室中。
做“顶天立地”的研究
从田间提出问题，在基础科学上深挖，再回到田间，才能解决产业面临的问题，这是团队成员的共识。
第二期创新群体项目重点布局的化学通讯方向，便是这样一个典范。植保所研究员王桂荣主攻昆虫嗅觉识别分子机制，重在实验室研究。在他看来，他研究的科学问题并不是从浩瀚文献中来，而是从团队关注的棉花害虫与天敌的行为出发。2016年，他们通过比较基因组学结合神经电生理记录等技术，揭示了蚜虫感受报警信息素的神经和分子新机制。
“田间研究发现，昆虫在交配繁殖和觅食这两种行为上具有显著特点，基于这些观察，我们利用最新的CRISPR/Cas9基因编辑技术结合神经电生理记录等技术，揭示了性信息素拮抗剂参与调控棉铃虫最优交配时间，并阐明了其作用的分子机制。”他告诉《中国科学报》。
在害虫与寄主植物通讯机制方面，他们则开发并生产出棉铃虫、盲蝽食诱剂产品。
回顾创新群体项目的历程，吴孔明深有感触：“农业科学往往有三个阶段，一是‘躺在地上’，指的就是仅仅着眼于生产实际；二是‘坐在地上’，即集成现有技术形成新技术；三便是‘站在地上’，指的是深耕基础研究，通过理论创新切实提高生产力。”
在这三个阶段中，只有重视基础研究，才能让农业科学真正“顶天立地”。
如今，他带领团队正在开展草地贪夜蛾防控研究，这正是对棉铃虫等重大农业害虫防控理论创新的进一步应用和推广。“鉴于用Bt棉花治理棉铃虫的成功经验，应尽快制定实施以Bt玉米等高新技术为核心的草地贪夜蛾可持续治理策略。”吴孔明说。
棉花害虫治理经验可复制
《中国科学报》：我国棉花害虫治理经历了什么样的历史过程？
吴孔明：棉铃虫是我国主要的棉花害虫，对它的防控策略经历了化学防治、以化学防治为主的综合防治和以转基因抗虫棉花（Bt棉花）为主的综合防治三个阶段。上世纪70年代，我国农业工业体系逐渐完善后，化学农药受到农民普遍欢迎。但很快，棉铃虫对此产生抗性，进而生态失衡，最终导致上世纪90年代初棉铃虫种群失控、环境恶化等一系列问题。
1997年河北省开始应用转基因抗虫棉花防治棉铃虫，2000年黄河流域转基因抗虫棉花种植比例超过棉花总面积的80%，并很快在长江流域等棉区推广应用。我们看到，转基因抗虫棉花的种植切断了棉铃虫取食小麦、棉花和玉米等作物的季节性食物链条，不仅高效控制了棉铃虫对棉花的危害，也大大降低了其对玉米和小麦等其他作物的危害。农业生态系统天敌数量持续增加，生防服务功能得到恢复，棉铃虫区域性灾变问题得到了有效解决。
可以说，棉铃虫治理经验能够复制到其他害虫的防治上。
《中国科学报》：以你们正在开展的草地贪夜蛾为例，棉铃虫的经验如何复制？
吴孔明：草地贪夜蛾的防控要采取两步走的策略。现阶段，要以实施化学防治为主的综合防治策略解决应急防控问题，防止因严重为害玉米和小麦等作物而发生粮食安全问题。预计自2020年起，草地贪夜蛾将在春、夏两季随季风向北逐代迁移进入我国长江流域、黄河流域和东北小麦、玉米等重要农作物主产区发生为害，形成对国家粮食生产安全的长期性威胁。
对照棉铃虫化学防治产生的后果以及以转基因抗虫棉花为主的防治技术的成功，第二个阶段应考虑采取以转基因抗虫玉米（Bt玉米）为主的防治策略。农业农村部2019年对两个转基因玉米品种颁发了农业转基因生物安全证书，这表明转基因抗虫玉米的应用技术已经趋于成熟。
因此，要充分利用应急防控阶段所能提供的3至5年窗口期，尽快制定实施以转基因抗虫玉米等高新技术为核心的草地贪夜蛾可持续治理策略。
《中国科学报》：第二个阶段，以转基因抗虫玉米（Bt玉米）为主的防治策略中的关键技术有哪些？
吴孔明：构建绿色可持续控制技术体系需要沿用先进的种群迁飞监测预测、成虫迁移阻截和幼虫高效控制关键技术。
例如，现代信息技术的发展为害虫监测预警工作提供了前所未有的支持。目前，中国昆虫雷达的应用技术已趋于成熟，基本具备组建国家昆虫迁飞雷达监测网的条件。雷达网的大尺度监测和高空灯、地面灯、性诱捕器的小尺度监测网的一体化运行，可以精准定位定量草地贪夜蛾的成虫迁移动态，并通过网络实时发布。
此外，食诱产品的研发和商业化应用，联合在相关区域建设灯诱、食诱的天罗地网，将最大限度地降低成虫发生密度。
《中国科学报》 (2020-06-29 第4版 自然科学基金)
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