水稻典型品种日本晴和IR24根系微生物组的解析

植物的各项生命活动与其根系微生物组密不可分,且根系微生物组的组成易受到植物生长环境和基因型的影响。为进一步探究中国北方地区种植的不同品种水稻根系微生物组的差异及其相互作用机制,本研究以种植于北京昌平和上庄农场的水稻典型品种日本晴(Nipponbare)和IR24为研究对象,基于16S rRNA基因扩增子测序技术获得根系微生物组序列,利用多样性分析、组成型分析、机器学习的随机森林和网络分析等方法,对旺盛生长期的两种不同品种的水稻根系微生物组进行详细比较。研究发现,种植地点和水稻基因型显著影响了水稻根系微生物组的群落结构,不同基因型导致了根系微生物组在物种分类组成上以及细菌间相互关系的差异,而且根系微生物组能作为生物标记跨地点区分宿主的基因型。本研究结果为深入理解我国北方种植的水稻根系微生物组的组成规律以及从根系微生物与植物互作的角度对品种进行改良提供了数据和理论基础。

不同遗传背景自交系玉米根系微生物组差异比较

陆生植物与多种土壤微生物群落存在密切互作关系,影响植物的生长和发育。植物微生物群落的系统发育结构由生物群落和环境因素相互作用所决定。文章选取具有不同遗传背景的玉米自交系材料昌7-2和B73,在山东和海南种植,对其根系微生物组进行高通量测序并进行群落组成、多样性及随机森林分析。研究结果表明,玉米根系微生物组对栽培环境变化的响应程度大于基因型,而不同基因型玉米根系微生物组对栽培环境变化的响应程度也不同,同时利用随机森林分析发现若干丰度显著受宿主基因型影响的细菌类群。该工作进一步深化了栽培环境和宿主基因型对玉米根系微生物组影响的认识,为研究玉米根系微生物群落的建立提供了理论基础。

植物与土传病原真菌的攻防战及干预

绿色植物是人类赖以生存的物质基础。土传病原真菌引起的植物病害是威胁植物健康的重要因素。作者课题组长期以棉花-大丽轮枝菌为模式系统研究植物与土传病原真菌的互作分子机制,以期为该类病害的可持续控制奠定理论基础。文章简单介绍植物土传真菌病害相关的基本概念及防控现状,同时系统介绍课题组近十年来在该领域从基础研究到应用基础及成果转化等方面取得的系列研究成果,并对今后植物土传病害的防控进行展望。

2019年性诱监测草地贪夜蛾在山东省的分布与发生动态

2018年底草地贪夜蛾Spodoptera frugiperda入侵我国,2019年在我国大规模迁飞扩散。山东省地处草地贪夜蛾的重点防范区,我们在山东省的30个监测点利用性诱方法监测了草地贪夜蛾在山东省的迁飞路径、分布和发生动态。结果显示:总共诱捕到428头草地贪夜蛾,其中97%以上个体分布在胶东地区,推测东部沿海是其在山东省南北迁飞的主要路径;6月20日在郯城监测点首次监测到1头草地贪夜蛾成虫,9月中旬至10月中旬监测到其余的427头,在此阶段草地贪夜蛾可能有4次从南向北的迁飞。随着草地贪夜蛾在我国定殖和种群扩张,亟需探索高效的草地贪夜蛾早期监测技术,建立网络化监测预警体系和区域性防控体系。

植物病媒昆虫的翅型分化

翅多型现象是昆虫非遗传多型性的一种表现,包括不具飞行能力的短翅型或无翅型,以及可以进行长距离迁飞的长翅型或有翅型。翅多型现象常发生在可以携带病原并将其传播给植物宿主的媒介昆虫中,对植物病害的时空分布与暴发有重要影响。本文从翅型分化的遗传规律、诱导因素、分子机制和伴随翅型分化的其他生理表现4个方面,对植物病原主要传播媒介蚜虫和飞虱的翅型分化研究进行综述和梳理。昆虫翅型分化的诱导因素主要包括温度、湿度和光周期等非生物因素以及虫口密度、宿主营养、病毒等生物因素;而其内在的分子机制大多是通过胰岛素/胰岛素样生长因子信号(IIS)通路、c-Jun氨基末端激酶(c-Jun NH 2-terminal kinase,JNK)信号通路、Wingless和嗅觉受体SaveOrco等调控。翅型分化的同时伴随着生理状态的变化,表现为短翅型具有更强的繁殖能力和长翅型含有更丰富的飞行肌结构成分。目前,昆虫翅型分化的研究尚不够完善,有许多需要解答的问题,如找到胰岛素/胰岛素样生长因子信号通路中真正发挥功能的靶基因,JNK如何调控翅型分化以及虫媒病毒影响媒介昆虫翅型的分子机理。本综述可为控制虫媒病原的传播以及其他昆虫翅多型的研究提供参考。

昆虫发育与免疫:现代昆虫学一个重要方向

昆虫发育与免疫作为昆虫学的重要方向,面向国家需求和科学前沿,经过多维度的研究,在解决重大害虫成灾和人类健康等方面取得了重要成就。同时,生物技术的进步极大地推进了昆虫发育与免疫的学科发展,使得我们对昆虫生长发育和免疫防御的认识更加深入和全面。本“昆虫生长发育与免疫”专辑论文较好地反映了我国昆虫发育与免疫的研究现状与研究特色。生长发育方面涵盖了从卵到成虫的所有发育阶段,主要研究信号转导机制;免疫方面则聚焦于生物互作。在大数据背景下,将传统和现代技术并用,加强合作,使本研究方向在害虫防治、昆虫资源利用和粮食安全等方面将发挥更大的作用。

CRISPR/Cas9技术在昆虫基因功能研究中的应用及优化

主要概述了CRISPR/Cas9技术应用于涉及鞘翅目、鳞翅目、膜翅目、半翅目、直翅目和双翅目的昆虫在色素沉着、抗性、嗅觉、交配和性别发生等方面的研究进展,包括基因敲除和基因敲入技术的应用,同时总结了目前CRISPR/Cas9系统的优化方案,最后对改良CRISPR/Cas9系统在昆虫基因组学研究和农业害虫防控的应用前景进行了展望。利用基因编辑技术对昆虫基因功能进行探究是除基因过表达、RNA干扰等方法外的一种有效策略。CRISPR/Cas9技术是近年来出现并迅速发展的第三代基因编辑工具,以操作简便、成本低和编辑效率高等优点而被广泛应用于生物科学中的各个分支。

不同栖息环境的两种啮齿动物Vkorc1基因多态性

维生素K环氧化物还原酶复合物亚基1基因(Vkorc1)的变异与啮齿动物对抗凝血灭鼠剂的抗药性密切相关。为掌握Vkorc1基因变异在野栖类和家栖类啮齿动物中的流行情况,从山西省13个县(市、区)的农田和14个县(市、区)的养殖场采样,检测长尾仓鼠(Cricetulus longicaudatus)和黄胸鼠(Rattus tanezumi) Vkorc1基因编码区的变异位点及携带不同变异位点的个体的分布情况。结果显示,长尾仓鼠在13个采样地均有捕获,整体占野栖类啮齿动物的23.29%;黄胸鼠分布于8个采样地,整体占家栖类啮齿动物的68.63%。在长尾仓鼠样本(n=105)中检测到6个沉默突变位点和5个错义突变位点,其中,沉默突变C438T (His146His)的变异率最高,为67.62%;共有17只长尾仓鼠样本存在错义突变位点。黄胸鼠样本(n=70)中存在6个沉默突变位点和1个错义突变位点,其中,最常见的沉默突变位点A321C (Ile107Ile)和T411C (Thr137Thr)的变异率均达到18.57%;8只黄胸鼠样本存在与其抗药性相关的A416G (Tyr139Cys)错义突变,其中7只来源于太原市小店区(XID),变异率为35.00%。本研究表明在家居和自然环境中均存在Vkorc1基因的变异,并在太原市小店区检测到黄胸鼠抗性种群的存在,需加强对此种群的监测。

吸血昆虫生殖调控的分子机制

吸血昆虫是可以传播病原微生物的一类节肢动物,包括蚊虫、白蛉、蠓、猎蝽、跳蚤等。由于其特殊的吸血习性,它们成为了疟疾、登革热、丝虫病、锥虫病等急性传染性疾病的媒介载体。虫媒疾病具有传播速度快、扩散面积广和危害重等特点,不仅严重危害人类健康,还容易造成巨大的经济损失。由于针对虫媒传染病的药物匮乏以及虫媒病原对化学药物抗性的不断增加,阻断吸血昆虫的生殖成为控制虫媒疾病传播的有效措施。保幼激素(juvenile hormone,JH)和20-羟基蜕皮激素(20-hydroxyecdysone,20E)在昆虫生殖过程中扮演着重要的角色。JH与胞内受体复合物Met/Tai结合后调控JH/Met靶基因表达,进而促进卵黄发生过程,为昆虫之后的吸血及产卵提供了必要条件;20E胞内受体为EcR/USP组成的异源二聚体,两者结合后激活下游基因表达,诱导卵黄原蛋白(vitellogenin,Vg)合成,为发育的卵巢提供营养。营养信号通路(胰岛素信号通路以及氨基酸介导的雷帕霉素靶蛋白信号通路)同样可以激活Vg合成,促进昆虫生殖;此外,营养信号通路与JH和20E之间可以相互作用共同调控吸血昆虫发育和繁殖。碳水化合物代谢以及脂代谢等能量代谢过程是昆虫生殖过程中主要能量来源,可以满足吸血昆虫生殖发育不同阶段极高的能量需求。研究表明,JH和20E信号通路在能量代谢过程中起着重要的调控作用;微小RNA在蚊虫这一类吸血昆虫中被证明与肠道微生物稳态、血液消化以及脂代谢等生理学过程密切相关,进一步影响了蚊虫卵巢发育。近年来,随着分子生物学及测序技术的革新,吸血昆虫生殖调控机制的研究不断取得新的进展。本文主要阐述了吸血昆虫生殖调控的分子机制研究进展,以期为通过调控吸血昆虫生殖的方法以阻断病原传播提供重要线索。

蜜蜂肠道微生物的多样性及功能研究进展

近年来,随着全球气候变化、栖息地丧失、农药不合理使用、病原物等多种环境和疾病的压力,蜜蜂的生存受到严重威胁。意大利蜜蜂Apis mellifera作为重要的传粉昆虫,其体内肠道微生物群在新陈代谢、生长发育、抵御病原体和免疫等方面发挥着重要作用。而且,蜜蜂体内含有相对简单但高度特化的肠道微生物,可以实现体外培养,从而也成为研究微生物与宿主的互作模型。本文基于国内外研究进展,系统论述了意大利蜜蜂肠道微生物群落组成、在肠道中的分布结构及变化规律,阐述了肠道菌群在宿主体内发挥的作用,特别是在抵抗病原物和影响宿主生长发育等方面的重要功能,进一步探讨了保护蜜蜂的措施及未来需要解决的关键科学问题,为蜜蜂的保护利用提供参考。

有害生物综合防治的生态经济学效益定量评估方法

【目的】如何客观、定量评估有害生物综合防治的生态经济学效益是有效开展有害生物生态调控的基础。但目前评价有害生物综合防治的效益时,更多的是考虑防治的经济效益,而缺乏有关防治带来的生态学效益的定量评估方法。【方法】本文基于市场价值法,给出了定量评估有害生物综合防治、化学防治的生态经济学效益的方法,并以此方法定量评估了1987-2016年30年中国粮食作物病虫害的损失情况、化学防治及劳动力投入、生态负效益,计算出粮食作物病虫害防治的生态经济学效益。【结果】有害生物综合防治的生态经济学效益主要与防治效益、投入成本及对生态产生的负效益有关。1987-2016年的粮食作物病虫害防治的生态经济学效益为-250.67-180.85亿元,平均生态经济学效益为-3.81亿元。【结论】我国粮食作物病虫害综合防治生态经济学效益较低,防治时需要充分考虑其带来的生态负效益;本文提出的有害生物综合防治的生态经济学效益定量评估方法,可为客观、准确评估病虫害综合防治提供科学依据。

论害虫生态调控策略与技术

害虫生态调控作为害虫管理的一种“高级”策略,主要基于“预防为主,生态优先,整合治理,精准施策”的原则,通过调节与控制两个相辅相成的过程,整合包括生态调控技术、现代生物技术、农业防治、生物防治、理化诱控技术以及合理的化学防治等手段,构建“经济、简便、有效”的生态工程技术体系,将害虫控制在生态经济阈值水平之下。同时,它也是害虫管理的一种技术,包括景观生态设计、功能植物种植、推拉技术、生态自杀技术、作物合理布局、健康作物环境调控技术等措施。本文重点阐明了作为害虫管理策略与害虫管理技术“二重性”的害虫生态调控概念,明确了害虫生态调控的4项基本原理、6大独特技术和4个指导思想,比较了害虫生态调控策略与害虫综合治理策略的特征,解析了害虫生态调控技术与农业防治、生物防治的区别和联系,指出了未来害虫生态调控发展的趋势。

害虫管理:从“综合”到“整合”

害虫综合治理(Integrated pest management,IPM)中的“Integrated”除了综合的意思,其实更多表述的是“整合”。在进行害虫防治时,不能将各个措施简单地综合应用,而应在充分了解各种措施之间相互作用的基础上,将其整合成一个系统(整体),更好地服务于害虫管理。本文基于国内外害虫管理的进展与实践,论述了近年来害虫管理发展的4种理念更新、4项策略演变和3大技术革新,提出了害虫管理优先方案5个步骤,指出了整合过程的5个层次及11个科学问题,强调害虫管理应本着“预防为主、生态优先、综合治理”的植保方针,秉持“生态、有效、经济、简便”技术原则,重点从综合走向整合,构建我国不同区域特色的害虫管理生态工程,开展害虫整合治理,达到经济可行、生态可持续、社会可接受的目的。

蚜虫传播非持久性病毒的取食行为调控机制

蚜虫能够传播上百种植物病毒,是最重要的农业介体昆虫之一。蚜虫在刺探和取食植物过程中,唾液组分会连同附着在口针中的病毒粒子一同被分泌进入植物内,在调节植物诱导抗性、病毒侵染扩散、介体昆虫行为等过程中均有重要作用。本文围绕蚜虫传播病毒和获取病毒2个关键过程,总结分析了蚜虫独特的刺吸取食行为与传毒效率和获毒效率之间的联系;针对取食活动中关键的唾液蛋白在调控植物免疫抗性、帮助病毒侵染过程中的功能,阐述了蚜虫高效传播非持久病毒的分子基础;针对蚜虫的获毒过程,综述了病毒侵染植物间接调控蚜虫趋向和行为的作用方式。这些研究的开展将为解释蚜虫和病毒协同侵染的分子机制以及有效开展基于蚜虫取食行为调控的病虫害防控新技术提供思路。

区域性景观组成对玉米苗期捕食性天敌的生态学效应

【目的】明确区域性景观组成对玉米苗期捕食性天敌的生态学效应,可为开展玉米田有害生物生态调控提供理论基础。【方法】以山东省92块玉米田为研究区域,基于玉米苗期捕食性天敌种群数量、试验点的遥感影像和土地覆盖类型分类数据,运用混合效应模型分析了耕地、居住工业交通、草地、林地、水体5种土地覆盖类型的面积比例对玉米苗期捕食性天敌种群数量的影响。【结果】共调查到3744头捕食性天敌,其中草间小黑蛛Erigonidium graminicolum(55.29%),龟纹瓢虫Propylaea japonica(25.32%),小花蝽Orius similis(6.73%),八斑球腹蛛Theridion octomaculatum(4.01%),异色瓢虫Harmonia axyridis(3.58%)和三突花蛛Misumenops tricuspidatus(3.47%)为主要捕食性天敌。发现林地和水体生境对龟纹瓢虫的种群数量有显著的正效应,草地和水体生境对三突花蛛的种群数量有显著的正效应,水体和林地生境对捕食性天敌的总数量有显著正效应。【结论】华北农田景观中非作物生境作为捕食性天敌的资源库,在玉米苗期捕食性天敌维持中起重要作用。

应用DNA条形码构建天敌-猎物食物网的方法

定量构建天敌-猎物食物网是有效开展害虫管理的基础。常用的食物网构建方法有单克隆抗体法、肠道内容物的PCR检测法、实时荧光定量PCR法等。这些方法灵敏度高、特异性强,但只能定性或定量检测天敌对已知猎物物种,即已明确捕食或寄生关系的物种的捕食情况,并不能检测未明确捕食或寄生关系的猎物种类和捕食量。而DNA条形码是一段具有物种特异性的DNA短片段,能够实现物种的快速鉴定。它最早应用于昆虫分类学,现随着高通量测序技术的发展,基于高通量测序的DNA复合条形码技术,对猎物的扩增范围更广,弥补了常规分子方法只能检测已知猎物的缺陷,可实现已知或未知猎物物种的迅速确定,构建相对完整的食物网。为了提高猎物的检测率,完善食物网结构,本文总结了DNA条形码在天敌-猎物昆虫食物网构建中的技术路线,介绍了条形码基因的选择原理、通用引物的设计及验证方法、以及高通量测序及数据分析的基本流程,并以一个实例展示了该方法的实现过程,叙述了该方法的优点及目前存在的争议,旨在为研究基于保护和利用天敌昆虫、增强食物网稳定性的害虫生态调控提供理论指导和方法支持。