国家自然基金标书-害虫暴发成灾的遗传与行为机理

1、项目名称：害虫暴发成灾的遗传与行为机理首席科学家：康乐 中国科学院动物研究所起止年限：2012.1-2016.8依托部门：中国科学院一、关键科学问题及研究内容基于国家重大需求和学科前沿，本项目以水稻、棉花和蔬菜等作物的重大害虫为研究对象，围绕上述关键科学问题，从基因-个体-种群-生态系统等不同层次，开展以下3个方面的研究： 1、 昆虫发育变态的遗传基础过去有许多工作围绕昆虫发育与变态，激素控制发育与变态的框架已经形成，但是对应答激素的基因如何发挥作用知之甚少，分子机制尚不清楚。例如相关的基因如何形成一个调节网络？上游基因如何和中下游基因形成紧密联系的级联反应？最近发现的小分子RNA如何调节基因表达？表达的蛋白如何通过修饰引发功能的改变？一个基因如何通过mRNA拼接发挥多个生物学调节功能？因此，昆虫变态发育的遗传基础着重研究害虫的发育、变态以及生物节律，阐明调节发育、变态、生物节律的关键基因功能及其基因调节网络。这一系列的紧迫科学问题的解决，伴随分子机制的解析，将为寻找害虫防治的靶标基因奠定了基础。2、 害虫种群暴发的行为遗传机制基于前期的研究成果，飞蝗型变相关的基因表达谱已经明晰，与神

2、经调控相关的基因功能得到了鉴定，并证明了表观遗传学机制的存在，为进一步的研究指明了方向。但详细的飞蝗两型转变行为遗传机制还有待进一步研究。例如，小RNA的转录组研究表明两型间存在表达差异，暗示了表观遗传学机制在飞蝗型变中起到调控作用。然而，它们是怎样调控型变的？涉及到哪些特征的调控？其它的表观遗传学机制，是否也参与了型变的调控，如DNA甲基化和组蛋白乙酰化等？这些问题尚不清楚。而且，迁飞行为是种群暴发的重要特征，这个过程中环境因子也起到了一定的作用。基于上述分析，本项目拟利用组学的手段（转录组、蛋白质组、代谢组等）大规模筛选与聚群和迁飞行为相关的基因、蛋白和小RNA以及表观调控机制，拟详细研究集群行为相关的神经调控机制，加强迁飞行为相关的诱发因子、定向机制和能量代谢机制的研究内容，开展型变的表观遗传学机制研究，以及种群密度对行为可塑性的影响机制等。通过这些研究，可以在前期研究的基础上，更深入地阐释害虫种群暴发的行为遗传机制，为害虫行为调控提供有用的靶标基因。3、 害虫对关键生态因子和食物网内信号物质的适应机理环境中的非生物和生物因子是害虫发生的外因。所以，一方面着重研究害虫对温度变化、

3、温室气体升高等自然环境和杀虫剂使用等人为环境变化的行为与遗传学的适应性进化，揭示环境变化对害虫生理、生态适应的分子机制，阐明自然和人为环境变化诱导害虫暴发成灾的机理；另一方面以害虫为核心，深入研究害虫与植物、天敌及共生物相互作用的化学通讯机制，包括化学信息分子在寄主植物和害虫间的化学通讯及行为调控机制，昆虫嗅觉识别的分子机制，虫害胁迫植物主要化学信息分子相关基因及调控网络，害虫嗅觉相关蛋白的行为学功能，近缘种化学通讯的协同进化机制，害虫共生物对害虫-寄主互作的调控机制，寻找作物化学信息基因改良及干扰害虫通讯识别的方法和技术，以及多营养级间对害虫、天敌行为起关键调控作用的信息化合物，明确重要信息化合物在害虫治理驱避和吸引策略中的作用。二、预期目标（一）总体目标1.发展害虫管理的“行为调控”新理念。通过本项目的实施，揭示害虫发生的内在和外在关键因素，寻找害虫行为基因调控与生态调控的新技术和新方法，为保证我国农业和食品可持续和健康发展做出贡献。2.阐明昆虫发育、变态的遗传机制，害虫种群暴发的行为遗传机制，害虫对关键生态因子和食物网内信号物质的适应机理等科学问题，引领国际害虫种群暴发的行为遗传

4、机制研究。3.扩大和完善以害虫为模式的研究系统和技术平台，实现多学科交叉、渗透和发展，并引导前沿性、边缘性新学科的形成和发展。4.凝炼一支害虫控制基础研究的创新团队，丰富和发展我国害虫管理的科学理论与实践，提升我国有害生物防控的原始创新和集成创新能力，扩大国际影响。(二) 五年目标1明确发育与变态的基因级联调节和激素互作机制，阐明发育与变态的节律调控机理，完善发育与变态的“基因激素行为”调控网络，在昆虫发育与变态的分子机制的研究方面克隆发育与变态过程相关的关键基因20个。2阐明飞蝗暴发的行为遗传学机制。大规模筛选与聚群和迁飞行为相关的基因、蛋白和小RNA，揭示集群行为相关的神经调控机制，解析迁飞行为相关的诱发因子、定向机制和能量代谢机制，以及种群密度对行为可塑性的影响机制；3明确害虫对环境变化的行为特征和适应性对策，阐明害虫适应环境变化的遗传与进化关系，揭示害虫抗药性和影响行为的分子调控机制。4解析害虫对寄主植物的选择行为策略，阐明害虫与寄主植物之间的化学通讯机制，揭示害虫与寄主植物之间的节律协同关系；鉴定害虫胁迫寄主植物后重要气味调控基因10个，明确3种气味信息分子相关基因的调控功能

5、；鉴定嗅觉相关基因30个，解析嗅觉相关蛋白的结构与气味信息识别谱，创制害虫嗅觉行为调控剂2-3个。5发现植物-害虫-天敌协同进化的新机制，获得2-3种重要农业害虫信息素和一般气味的受体基因及结合蛋白基因的全长序列并研究其功能；鉴定4-5个在多营养级中起关键作用的挥发性信息化合物，2-3个害虫-寄主-天敌-共生物多营养级中起关键作用的作物信号传导化学物质，2-3组调控以上化学物质的生物合成调控基因簇；提出2-3个与多营养级互作研究相关的理论假说。6.预期在国际刊物上发表论文150篇，包括有重要影响的论文50篇以上，有重要理论和技术突破的高水平论文10篇，申请专利20项左右。三、研究方案(一) 学术思想 基于项目提出的害虫治理要从杀灭防治转变为行为调控的新思路和新理念，从害虫行为的基因调控和生态调控二个方面入手，围绕害虫暴发的遗传与行为机理，从害虫的遗传、行为遗传、行为适应这三个相互关联的层面开展系统研究。通过基因克隆、敲除、转基因以及基因干扰等现代分子生物学技术，系统深入研究昆虫发育与变态重要的相关基因和功能，以及害虫聚群和迁飞行为的分子机制，寻找害虫行为基因调控的新途径和新方法；利用昆

6、虫适应和行为研究平台，结合分子生物学和化学生态学等新技术和手段，深入研究害虫对温度、温室气体和杀虫药剂等生态因子的响应和生态适应性；揭示化学信息分子在寄主植物和害虫间的化学通讯及行为调控机制，明确虫害胁迫植物主要化学信息分子相关基因及调控网络，解析害虫嗅觉相关蛋白的行为学功能，探明害虫昆虫嗅觉识别的分子机制，设计、创制害虫嗅觉行为调控剂。为昆虫行为的生态调控提供科学依据和新方法。（二）技术途径综合运用多种技术手段，采用从害虫发育变态相关基因基因与行为的关系到一定环境条件下基因决定行为表型的功能的研究技术途径，研究昆虫发育变态的遗传基础，害虫种群暴发的行为遗传机制，以及害虫对关键生态因子和食物网内信号物质的适应机理，明确害虫行为基因调控与生态调控的机理，发展以害虫为模式的研究系统和技术平台，实现对农业重大害虫暴发的遗传与行为机理的深入认识，寻找害虫行为基因调控与生态调控的新技术和新方法。上述学术思想与主要的技术途径可用如下图所示: 学术创新思想害虫治理从“杀灭防治”转变为“行为调控”研究目标研究内容（技术途径） 关键科学问题研究方法1. 阐明农业重大害虫暴发的遗传与行为机理2. 寻找害虫

7、行为基因调控与生态调控的新技术和新方法3. 扩大和完善以害虫为模式的研究系统和技术平台生物化学昆虫发育变态的遗传基础（相关基因）分子生物学害虫行为基因调控与生态调控的机理和技术化学生态学害虫种群暴发的行为遗传机制（基因与行为的关系）生物信息学行为生态学害虫对关键生态因子和食物网内信号物质的适应机理（基因决定行为表型的功能）基因组学等图1. 技术路线（三）本项目研究的创新点与特色 本项目在以下几个方面具有明显的创新：1. 长期以来害虫的防治思想主要以化学药剂杀灭防治为主，这样导致农业生产中化学农药的大量使用，造成了害虫抗药性、农药残留、害虫再增猖獗等问题，引发了环境污染、人畜中毒等事件，为农民加重负担，对食品安全和农业可持续发展构成威胁。本项目在以前研究取得重要成果和获得优秀评价的基础上，综合分析了国内外害虫治理的历史和发展趋势，提出害虫治理要从“杀灭防治”转变为“行为调控”的新思路和新理念。2. 研究从基因型到环境影响下的表型可塑性，进而发展害虫行为调控的新技术。研究综合应用遗传学、表观遗传学、生物化学、神经生物学和电生理学等多学科交叉方法，结合最新的小分子RNA、转录因子调控靶标基因

8、的分析技术，衔接基因克隆、敲除、转基因以及基因干扰等现代分子生物学技术，系统深入研究昆虫发育与变态重要的相关基因和功能，以及害虫聚群和迁飞行为的分子机制，寻找害虫行为基因调控的新途径和新方法；利用昆虫适应和行为研究平台，结合分子生物学和化学生态学等新技术和手段，深入研究害虫对温度、温室气体和杀虫药剂等生态因子的响应和生态适应性；揭示化学信息分子在寄主植物和害虫间的化学通讯及行为调控机制，明确虫害胁迫植物主要化学信息分子相关基因及调控网络，解析害虫嗅觉相关蛋白的行为学功能，探明害虫昆虫嗅觉识别的分子机制，设计、创制害虫嗅觉行为调控剂。为昆虫行为的生态调控提供科学依据和新方法。本项目具有以下特色：1. 农业害虫的研究具有不可替代性农业害虫行为多样、生物学特性复杂。而模式昆虫的许多相关研究与害虫的控制不直接相关。因此该项研究的成果可以直接应用到害虫的防治实践中。2、害虫发育与行为关键基因网络调控的系统研究以害虫发生的内因为重点，通过发育与变态的调控机理，集群和迁飞的行为遗传机理和相关基因的功能调控等方面的研究，深入系统的解析控制害虫遗传与行为的关键基因和调控网络。3、影响害虫发生的外在因子相

9、互作用的系统解析重点抓住害虫发生的外部因子，从基因-种群-生态系统等不同层次，系统解析害虫对环境的行为适应和与生物因子的互作机制，以及环境因子对害虫和天敌行为调制的化学机制。与国内同类研究相比具有前沿性，在研究内容、研究方法和技术路线上都有明显的特色。 (四) 取得重大突破的可行性分析研究目标明确：围绕国家重大需求和学科前沿，瞄准害虫暴发的重大基础科学问题，开展本项研究。研究基础扎实：经过几十年艰苦努力，我国在害虫综合治理领域已有相当的研究积累；尤其是通过出色完成 “973”项目“农业重大病虫害成灾机理及调控基础研究” (G200001620)和“重大农业害虫猖獗危害的机制及可持续控制的基础研究”（G2006CB102000）为本项目奠定了扎实的基础。项目组前期完成了多个相关课题，在本领域已有长期的积累，并取得了重要进展。发表了大量相关的高水平研究论文（Science, PNAS，Plos Genetics，Genome Biology, Annual Review Entomology）；建立了完善的害虫、寄主植物化学通讯机制研究平台，拥有多个重大害虫基因文库，鉴定了100多个昆虫嗅觉新基因，开展的昆虫嗅觉识别研究在国内外具有重要地位；在害虫多营养级互作研究中，项目组有多年的研究积累，构建了植物-斑潜蝇-寄生蜂、稻飞虱-水稻-共生菌等多个研究体系，也积累一批研究成果，部分成果已经发表在影响因子大于五的国际主流杂志上。立论充分、方法先进：借鉴了国内外害虫管理和农业生命科学的最新成果和进展，具有可靠的立论依据；并采用基因组学、昆虫关键代谢通路的RNAi等新技术，方法成熟、先进。研究团队精干：集中了中国科学院、中国农业科学院及相关重点大学在本领域的优秀人才，组成了精干、高效、务实的研究团队，为本项目的顺利

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