稻飞虱灾变机理及可持续治理的基础研究.docx

项目名称：稻飞虱灾变机理及可持续治理的基础研究首席科学家：起止年限：依托部门：一、研究内容（一）拟解决的关键科学问题长期以来，人们为了更好地防治农业害虫的危害，对影响害虫发生数量和危 害程度的因素作了大量研究，尤其是在引起害虫频繁暴发的外部原因以及开发依 靠外部干扰以控制害虫危害的技术等方面但是，尚缺乏从内因，即从害虫本身 生物学特性的内在分子机制和生态系统中物种间协同进化所形成的生理、生态和 分子机理来充分认识害虫灾变的机理，因而尚未能提供一套较为完善的可以协调 集约农业与害虫可持续治理的技术体系随着世界人口的持续增长和集约农业对 环境压力的增大，如何协调集约农业生产和环境的可持续发展已成为农业科学研 究的热点稻飞虱作为威胁亚洲水稻生产最为严重的害虫及其发生的特点，为我 们提供了深入探讨以下二个与此相关的关键科学问题的好材料1、稻飞虱适应集约稻田生态系统的内在机理稻飞虱是以高产品种和高化学投入为主要技术的第一次绿色革命所诱发的害 虫，具有r-对策昆虫所具有的个体小、年世代数多、生殖能力强、具迁飞习性和 自然控制作用大等特性像其它在农田生态系统频繁发生的害虫一样，适应了农 田生态系统生长季节较短、农事操作和气候多变的特点，进化形成了快速发育、 翅型分化和迁飞特性，可以及时形成长翅型以迁飞躲避不良的环境条件，又能在 迁往适宜地区后立即转化为短翅型，发挥其高生殖能力，有利于种群的快速增长。

稻飞虱进化适应了农田系统的高化学投入，并能把一些农药、化肥等化学品对生 态系统的影响转化为提高自身种群增长的动力同时，在长期的进化过程中，稻 飞虱形成了与稻田生态系统中的其它物种间的紧密联系例如，褐飞虱进化发展 了对寄主抗性适应性演变能力，可以克服水稻抗性；稻飞虱也与一些微生物，包 括病毒、真菌和细菌，建立了互利关系；三种稻飞虱也进化形成了各自的时间、 空间和营养生态位及特定的生物学特性，以充分利用自然资源及避免相互间的不 利影响此外，稻飞虱与稻田天敌间也进化形成了一定的时间和空间生态位，以 及行为的差异或重叠，以致逃避了一些天敌的捕食，但又成为了另一些天敌的重 要食物多年来，对于稻飞虱的重要生物学特性以及水稻、稻飞虱、病毒、天敌 等多物种间互作关系开展了大量的生态学研究，但并未深入探索这些生物学特性 的分子基础以及多物种互作的生理生化和分子调控机理，因而尚缺乏对稻飞虱适 应集约农业生态系统内在机理的理解，在一定程度上制约了稻飞虱可持续治理研 究工作的发展随着分子生物学技术的发展，人们有可能在分子水平探索害虫这 些生物学特性以及多物种间互作的内在本质，认识现代农业生态系统害虫频繁暴 发的内在原因，综合以往研究所了解的害虫灾变生态学机理，从而从深层次揭示 现代农业生态系统导致一些害虫频繁暴发的内在规律。

2、集约农业和稻飞虱可持续治理协调技术体系的生态学基础鉴于我国人口众多，资源相对贫乏，实施集约农业以提高单位面积的产出是 我国农业发展的必经之路然而，集约农业大面积种植经人为长期选择而遗传多 样性下降的高产品种，大量使用农用化学品，使农业生态系统生物多样性进一步 下降，自然控制作用进一步削弱，导致害虫频繁暴发成灾，严重制约了农业的可 持续发展因而，能否确保粮食安全的一个重要关键就是能否实现高产品种和化 学投入等集约农业技术与害虫持续治理技术的协调然而，实现集约农业和害虫 可持续治理技术协调的前提是对集约农业技术对农业生态系统可能产生的生态 效应的全面理解但是，以往的研究往往仅注重一些局部环节，而缺乏从生态系 统整体的理解以及从生态系统整体探索可持续治理的技术，在一定程度上制约了 集约农业和稻飞虱可持续治理技术的协调例如，以往的抗性品种研究主要集中 在水稻的直接抗性，特别是对抗取食性基因的发现和杂交选育，结果所培育的抗 性品种仅使用数年就因新致害型的出现而失去了抗性研究表明水稻对稻飞虱直 接抗性是多样的，而且也发展了经稻飞虱取食危害而诱导产生挥发性化合物以吸 引稻飞虱天敌进行防御的间接抗性，开拓了培育协调品种抗性和生物防治的新途 径。

生态学研究表明生物多样性与害虫暴发频率和强度有密切关系，然而对于如 何建立特定农业生态系统中可有效控制害虫灾变的基因多样性、物种多样性和生 境多样性等的理论和策略仍处于研究探索过程中因此，有必要从宏观生态学角 度深入研究稻飞虱的迁飞路线及其影响因子，明确虫源地和受虫地间稻飞虱种群 时间、数量和遗传结构动态及其与农业技术和气候因子的定量关系，以及集约农 业技术所营造的农业生态系统对生物多样性时空动态和稻飞虱种群发展影响的 规律，并从微观生态学角度探索集约农业技术对稻飞虱生物学特性的影响以及稻 飞虱适应集约农业技术的分子生态学机理，为集约农业和稻飞虱可持续治理协调 技术体系的建立提供生态学基础二）主要研究内容从稻飞虱发生特点出发，上述科学问题在稻飞虱灾变和治理规律方面主要表 现在以下几个环节：作为迁飞性害虫，明确受虫地的初始虫源地以及初始迁入虫 源的时间、种群结构对受虫地种群动态的影响，是认识受虫地稻飞虱种群动态规 律的基础（内容1）；揭示稻飞虱重要生物学特性的分子基础（内容2）以及水稻 -稻飞虱-天敌、水稻-稻飞虱-病毒等种间的相互关系（内容3），即有害生物与水 稻间为害/侵染与防御协同进化所建立的关系，是认识稻飞虱为什么会成为重要 害虫的关键；明确农业技术，特别是农药是如何直接影响或改变稻飞虱的相关特 性、或通过制约稻田生态系统各种生物成份对稻飞虱控制作用的机理，是揭示稻 飞虱灾变机理的核心，也是实现稻飞虱可持续治理的前提（内容4）。

围绕这些 环节，依据稻飞虱生命系统各重要组成成分与灾变和治理的关系，设立以下研究 内容：1、 稻飞虱迁飞动态及其规律研究建立稻飞虱或其共生和传带生物的区域性种群特异性分子标记或化学 元素标记及检测方法，重点探索我国各主要稻区稻飞虱潜在虫源地，包括菲律宾、 越南、泰国、缅甸、柬埔寨、老挝等国家和国内其它主要稻区间稻飞虱种群来源 关系，并借助昆虫雷达、卫星遥感和地理信息系统等，结合稻飞虱迁飞行为、耕 作制度、品种等农业技术和气候条件，明确我国各主要稻区的主要虫源地，探索 区域尺度条件下稻飞虱种群结构的时空动态规律，明确灰飞虱迁飞可能性及其规 律同时，研究稻飞虱翅型分化和迁飞的分子机理，为实现稻飞虱虫源和迁飞时 间的精细化预测以及源头治理提供科学依据2、 稻飞虱重要生物学特性的分子基础在建立稻飞虱基因数据库的基础上，利用基因组学、生物信息学、分子生物 学、遗传学以及昆虫学等研究手段，深入研究与稻飞虱灾变和可持续治理密切相 关的变态发育、翅型分化、致害性变异、获毒和传毒特性、高生殖能力以及抗药 性等重要生物学特性的分子基础，为揭示稻飞虱成为稻田生态系统重要害虫的内 在本质和调控机理、开拓稻飞虱治理新途径，并为进一步深入开展稻飞虱相关基 础研究奠定基础。

3、水稻、稻飞虱和病毒互作机理采用分子生物学、遗传学、病毒学、生理学、营养和化学生态学等研究手段， 深入研究水稻、稻飞虱及其传播病毒病的互作关系，明确多营养层系统中水稻与 稻飞虱互作、水稻直接和间接抗性的生理生化和分子调控机理，探索稻飞虱种群 致害性演变与稻飞虱取食行为、营养代谢和体内共生菌等的关系，阐释稻飞虱获 毒和传毒特性以及传毒种群形成发展的分子机理，稻飞虱所传播重要病毒病的流 行学规律，发掘重要的水稻直接和间接抗稻飞虱和抗病毒病的基因资源，为持久 型抗性品种的培育以及稻飞虱传播病毒病的早期监测、预警和治理提供重要的理 论依据和技术支撑4、集约农业技术导致稻飞虱频繁灾变的机制研究不同稻区品种、农业化学品以及其它农业技术对稻田生态系统调控稻飞 虱灾变功能的影响、途径与机理，深入剖析杀虫剂、杀菌剂和除草剂等农药对稻 飞虱发育和内禀生殖能力，以及主要天敌捕食行为和功能的影响和调控机理、稻 飞虱对新烟碱类杀虫剂抗性的生理生化和分子机理，明确稻田生态系统对稻飞虱 种群调控功能的组成以及导致不同稻田生态系统调控功能差异的主要因子及机 制，揭示集约农业技术导致稻飞虱频繁灾变的机制，为探索提高稻田生态系统抗 性，协调集约农业技术与稻飞虱的可持续治理技术体系提供理论与实践依据。

二、预期目标（一） 、总体目标通过本项目的研究，在稻飞虱迁飞规律、稻飞虱重要生物学特性分子基础、 水稻、稻飞虱和病毒互作机理、集约农业技术导致稻飞虱频繁灾变的机制等方面 取得原创性科学成果；克隆一批与稻飞虱重要生物学特性、水稻抗性等相关的基 因，并阐明其生物学功能；建立一套调控稻田生态系统抗性与协调稻飞虱区域性 治理技术的理论体系，为实现稻飞虱及其传播的病毒病的准确预警、抗性品种的 培育和持续利用、稻田生态系统调控功能的增强以及建立协调集约农业技术和稻 飞虱的可持续治理技术体系提供重要的理论依据和技术支持同时，培养一批高 水平的有害生物预警和治理研究人才，造就一支在国内具有骨干引领作用，在国 际上具有重要影响力的创新研究团队，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，使我国稻飞虱灾变规律 和治理体系研究居国际领先二） 、五年预期目标1、 研究发现稻飞虱地理分布区域种群具有地理特征的分子或化学标记物及检测 方法，明确主要虫源稻区稻飞虱的去向以及主要受虫稻区稻飞虱的来源地，阐明 主要稻区间三种稻飞虱种群结构的时空动态规律，与农业技术部门密切配合，建 立分别用于褐飞虱、白背飞虱和灰飞虱空间动态规律分析和预警系统，进一步完 善稻飞虱灾变预警系统，为实现稻飞虱虫源的精细化异地预测和源头治理奠定基 础。

2、 鉴定与分离8-10个与褐飞虱致害性、水稻直接或间接抗性相关的基因，并明 确其生物学功能与调控机理，初步阐明稻飞虱致害性演变与水稻对稻飞虱抗性的 分子遗传基础，建立稻飞虱致害性和水稻抗性的科学检测和评价方法，建立持久 抗性品种培育和应用技术体系，与育种机构和专家密切配合，加速抗性品种的培 育和延长抗性品种的使用寿命3、 研究稻飞虱遗传多样性与获得和传播病毒病能力的关系及其分子机理、病毒 对稻飞虱种群适合度的影响、田间自然寄主在病害流行中的作用和介体昆虫与所 传病毒间的协同致灾效应，明确病毒病流行学规律以及褐飞虱传播的齿叶矮缩病 和草状矮化病，及白背飞虱传播的南方黑条矮缩病在我国流行的可能性，与农业 技术部门密切配合，建立3个病毒病的流行学模型，为建立水稻病毒病的早期监 测和预警系统，实现相关病毒病的有效控制提供基础4、 研究主要农药影响稻飞虱生殖发育和主要天敌捕食功能的途径、剂量效应以 及调控机制，克隆与分离8-10个与稻飞虱生殖发育、抗药性和变态发育相关的 基因，并系统剖析其生物学功能，初步揭示农药影响稻飞虱再增猖獗的生理与分 子机理；比较不同稻区稻田生态系统对稻飞虱种群数量调控功能的差异及其生态 学机理，揭示稻飞虱地理种群间的区域性动态规律，建立稻飞虱区域性可持续治 理策略研究系统模型，与农业技术部门密切配合，为制订适用于集约农业的稻飞 虱可持续治理技术体系提供依据。

5、 培养一批有国际影响的中青年学科带头人和学术骨干，硕士生100名、博士 生50名、博士后10名；争取培养全国优秀博士论文获得者1-2名，国家杰出青 年基金获得者1-2名；争取获得部级或国家级研究创新团队1个以上6、 获得20个以上拥有自主知识产权的功能基因并明确其生物学功能；在SCI 源期刊发表论文100篇以上，其中有重要国际影响的论文30篇以上，出版有重 要创新意义的学术专著3部；申请国家发明专利10-15项三、研究方案（一）总体研究思路、技术路线及可行性1、 总体研究思路：本项目针对依赖于高产品种和化学投入的集约农业技术显著 削弱了稻田生态系统自然控制作用，导致稻飞虱及其所传播的病毒病频繁暴发的 实际，从稻田生态系统整体出发，通过阐明稻飞虱灾变相关生物学特性的内在分 子基础。