導(dǎo)  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(xué)術(shù)思想的重大突破。

文/錢韋（中科院微生物所 研究員）

來源：經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自“中科院院刊”微信公號

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(huán)境之中，它必須與周圍的其他生物及環(huán)境產(chǎn)生相互作用和緊密聯(lián)系。這些聯(lián)系及生物間的相互作用構(gòu)成了寄生、互惠、共生、競爭、拮抗等生態(tài)和協(xié)同進化關(guān)系，而生物之間傳遞的信息流則決定了這些關(guān)系的實質(zhì)，其傳遞規(guī)律是任何生命存在與進化的基本法則。

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

生物間信息流是指生物信號以物理、化學(xué)形式在物種之間產(chǎn)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(guān)系為例：作物釋放的物理和化學(xué)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(jīng)由茉莉酸等激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑啟動抗蟲相關(guān)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(wèi)反應(yīng)。

有意思的是，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，昆蟲攜帶的病毒經(jīng)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(zhuǎn)導(dǎo)途徑，抑制植物抗蟲相關(guān)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(zāi)。

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(nèi)共生也有利于昆蟲克服植物抗蟲防衛(wèi)體系。

植物、媒介昆蟲和病毒之間形成了復(fù)雜的共生和寄生關(guān)系。

那么問題來了：

這些復(fù)雜的生物關(guān)系中，病毒如何識別昆蟲并特異性地寄生于昆蟲體內(nèi)？

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(yīng)的抗病、蟲防衛(wèi)反應(yīng)體系？

這些有關(guān)種間信息的識別、解碼、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與反應(yīng)的科學(xué)問題決定了作物—媒介昆蟲—植物病毒之間的關(guān)系，最終決定作物受昆蟲和病毒危害的程度與范圍。

農(nóng)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(guān)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(xué)手段對這些相互作用關(guān)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(xué)科發(fā)展的歷史性局限。

對生物間信息流及其調(diào)控的理解能夠科學(xué)地指導(dǎo)防治策略。例如，長期、單一、反復(fù)使用化學(xué)農(nóng)藥，已導(dǎo)致多種病蟲害產(chǎn)生抗藥性和耐藥性。這主要是由于目前使用的絕大多數(shù)化學(xué)農(nóng)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(fā)產(chǎn)生的耐藥性相關(guān)遺傳變異能夠迅速在種群內(nèi)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(nèi)存在個體間水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，耐藥性相關(guān)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(chǎn)生。正因如此，傳統(tǒng)“殺滅”病蟲害的技術(shù)策略只能在短期內(nèi)取得極其有限的效果。

少噴藥還不減產(chǎn)，切斷“三角關(guān)系”是個新思路

對于這一難題，科學(xué)家已經(jīng)提出了新的策略：在進行新型化學(xué)藥物篩選時，如果理解了生物間信息流的方向與調(diào)控，有目的地篩選僅阻斷種間識別與響應(yīng)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(xué)農(nóng)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(zhǔn)防治，控制其種群大小的同時，減慢耐藥相關(guān)基因在種群內(nèi)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(fā)展革命性病蟲害防控技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

在此基礎(chǔ)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(xué)術(shù)思想的重大突破。在該學(xué)術(shù)思想的指導(dǎo)下，相應(yīng)的理論體系和防治技術(shù)平臺建設(shè)將會改變以往化學(xué)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(xué)基礎(chǔ)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(dǎo)和戰(zhàn)略意義。

吃飽了飯，仍要重視潛在的糧食供應(yīng)風(fēng)險

中國是當(dāng)今世界排名第一的人口大國和農(nóng)業(yè)大國。1994年萊斯特·布朗提出關(guān)于“誰來養(yǎng)活中國”這個問題之后，該問題一直是全世界密切關(guān)注的焦點。

糧食供應(yīng)是決定世界各國戰(zhàn)略發(fā)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(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》把“農(nóng)業(yè)科技整體實力進入世界前列，促進農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力的提高，有效保障國家食物安全”確立為我國科技發(fā)展總體目標(biāo)之一。

雖然國際上也認為中國是未來世界糧食增產(chǎn)的主要區(qū)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(qū)域與國際預(yù)測的增產(chǎn)區(qū)幾乎完全重疊。這預(yù)示著我國糧食增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)存在著很大的風(fēng)險，受到作物病蟲害發(fā)生規(guī)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重大自然災(zāi)害，也是導(dǎo)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(fā)生防治形式的嚴峻形式：

產(chǎn)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(chǎn)量損失仍高達每年4000萬— 6000萬噸，占總產(chǎn)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(shù)使用和單一遺傳背景品種的推廣，以往零星出現(xiàn)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(fā)成災(zāi)，防治形勢逐年加重。

環(huán)境污染問題日趨嚴峻

在全世界生產(chǎn)使用的農(nóng)藥中，我國的使用量約占1/3，排名全球第一。

濫用農(nóng)藥和農(nóng)藥殘留對公共衛(wèi)生、自然環(huán)境、內(nèi)外貿(mào)易和社會經(jīng)濟造成了極其嚴重的影響，食品安全已成為全社會密切關(guān)注的重大民生問題。

缺乏核心技術(shù)創(chuàng)新能力

當(dāng)前絕大多數(shù)病蟲害防治的策略和技術(shù)均由國外先進國家提出并發(fā)展成熟，我國總體上處理低水平模仿仿制階段。

例如，美國現(xiàn)代農(nóng)藥的年產(chǎn)值已經(jīng)達到96億美元。我國雖然是農(nóng)藥使用大國，但年產(chǎn)值僅18億美元，且多數(shù)產(chǎn)品無核心知識產(chǎn)權(quán)，技術(shù)開發(fā)能力差距顯著。

精準(zhǔn)防控，發(fā)展革命性新技術(shù)

在巨大的糧食產(chǎn)量壓力下，當(dāng)前病蟲害防治的核心思想仍然是簡單殺滅，技術(shù)上主要依靠以病蟲害基礎(chǔ)代謝過程和神經(jīng)相關(guān)受體等為靶標(biāo)的化學(xué)農(nóng)藥，忽視生物間存在的相互關(guān)系和信息傳遞，這是導(dǎo)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(nóng)藥零增長行動方案，也設(shè)立了相應(yīng)的國家重點研發(fā)計劃，對農(nóng)藥的科學(xué)合理使用進行深入研究，但考慮到當(dāng)前農(nóng)藥使用的可選擇性和使用現(xiàn)狀，要達到上述目標(biāo)尚需做出艱苦的努力。

未來作物病蟲害防治思想、基礎(chǔ)理論和技術(shù)發(fā)展將往何處去？如何把綜合防治中維護生態(tài)平衡的思想優(yōu)勢與化學(xué)防治方法簡便、易行和有效的優(yōu)點有機地結(jié)合在一起？

與此同時，

錢韋  中科院微生物所研究員, 植物基因組學(xué)國家重點實驗室副主任, 農(nóng)業(yè)微生物與生物技術(shù)研究室副主任兼學(xué)術(shù)秘書。

康樂  男, 中科院院士, 發(fā)展中國家科學(xué)院院士, 中科院動物所研究員, 我國著名生態(tài)學(xué)家和昆蟲學(xué)家。現(xiàn)任河北大學(xué)校長、中科院動物所所長、中科院北京生命科學(xué)院院長、中國科學(xué)院大學(xué)生命科學(xué)院院長, 中國科學(xué)院大學(xué)學(xué)位委員會副主任。長期從事生態(tài)基因組學(xué)研究, 是國際上生態(tài)基因?qū)W研究的領(lǐng)銜科學(xué)家、國家'973'項目首席科學(xué)家和基金委創(chuàng)新團隊學(xué)術(shù)帶頭人, 也是國際上幾個重要學(xué)術(shù)期刊的主編和編委。2008年被國際昆蟲學(xué)會選舉為執(zhí)行理事, 2009年獲美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)榮譽科學(xué)博士, 2011年獲何梁何利生命科學(xué)與技術(shù)進步獎, 2013年獲美國昆蟲學(xué)會頒發(fā)的杰出科學(xué)家獎, 2015年獲選美國昆蟲學(xué)會會士和第八屆'談家楨生命科學(xué)獎'成就獎。

文章節(jié)選自：

錢韋, 曲靜, 康樂. 生物信息流操縱:作物病蟲害導(dǎo)向性防控的新科學(xué). 中國科學(xué)院院刊, 2017, 32(8): 805-813.