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万方浩刘树生:行为机制在有害生物入侵中发挥关键作用

来源:科学时报 2007-11-20 09:35

    浙江大学昆虫科学研究所、中国农业科学院植物保护研究所与澳大利亚科学家合作完成的一项题为“非对称交配互作驱动一种粉虱的广泛入侵及对土著生物的取代”的研究,首次揭示了一种被称为“超级害虫”的烟粉虱的生物入侵机制。美国《科学》杂志11月8日发表了这一研究成果,论文的第一作者是浙江大学的刘树生教授。《科学》杂志认为该研究是入侵生物学领域的开拓性工作。 

    行为机制在有害生物入侵中发挥关键作用

    “超级害虫”威力大

     外来物种入侵对大农业生产带来的巨大经济损失及对生物多样性的严重威胁,已成为国际社会面临的重大科技问题。我国是一个生物灾害频繁的农业大国,外来物种入侵对农林渔牧业安全生产、生物多样性、人畜健康等产生的严重经济损失与威胁将进一步加剧这一矛盾。

    暴发性害虫B型烟粉虱是国际科技界有史以来唯一冠以“超级害虫”称谓的昆虫,也是世界自然保护联盟“通缉”的全球100种最危险入侵生物之一。烟粉虱属同翅目、粉虱科,广泛分布,是棉花、烟草、蔬菜和园林花卉等的主要害虫。烟粉虱是一个复合种,包括至少12个生殖上完全或部分隔离的遗传群体。烟粉虱在全球很多地区都有分布,烟粉虱对作物的危害方式包括:导致生理异常、传播双生病毒、分泌蜜露污染等。

    烟粉虱起源于地中海—小亚细亚地区,伴随一品红等植物的运输被人为传播,广泛入侵全球热带、亚热带及温带低纬度地区,暴发成灾。B型烟粉虱近20年来迅速入侵世界各地,造成严重危害。20世纪80年代入侵到美国,随后迅速入侵到世界各地。目前至少已有39个国家的棉花、木薯、番茄等遭到毁灭性的危害,美国20世纪90年代初因其造成的危害,每年蔬菜作物等的损失高达5亿美元以上。自1992年起,巴基斯坦每年都有200多万公顷的棉田遭受危害,全球木薯每年因双生病毒危害所造成的损失高达10亿英镑。

    烟粉虱入侵我国已约10年,这10年来种群迅速增长并扩张,大量取食危害我国番茄、烟草、棉花等数10种重要经济作物,通过传播双生病毒而引发植物病毒病蔓延成灾,严重危害种植业的持续发展和食品安全。

    1991年,美国《科学》杂志以新闻报道的方式介绍了该入侵生物的危害,将其称为“超级害虫”。1999年,《科学》杂志再次以新闻评论的方式,报道烟粉虱传播双生病毒所造成的严重危害。2006年,《自然》杂志以《圣诞入侵》为题,用3个版面详细报道了B型烟粉虱的入侵危害。由于该入侵生物近年来陆续在北美洲、南美洲、亚洲、大洋洲许多国家和地区造成大片作物严重减产和绝收,许多国家的科学家一直在探索其超级入侵本能的奥秘,但有关B型烟粉虱广泛入侵机制的研究多年来一直进展缓慢。 

    非对称交配互作:一种极具威力的行为机制

   深入了解B型烟粉虱的入侵过程和机制,将为有害生物入侵的准确预警和治理提供新思路。我们与澳大利亚同行合作,1995~2006年间在中国浙江、澳大利亚昆士兰共40多个地点进行了野外系统采样调查,详细记录B型烟粉虱的入侵以及对土著烟粉虱的取代过程。在研究过程中,我们设计了一套独特的录像系统来24小时观察和分析烟粉虱的交配行为,我们共对1060头烟粉虱作了2万多小时的录像观察,详细记录和分析了这些昆虫的各种行为。

    观察表明,当B型烟粉虱到达新的地域与土著烟粉虱共存后,虽然它们之间并不能真正完成交配,但相互间发生的一系列求偶行为及相互作用,使B型烟粉虱的交配频率迅速增加,卵子受精率提高,后代雌性个体比例由独处时的约60%提升到70%~80%,种群增长加快;同时B型烟粉虱雄虫又频频向土著烟粉虱雌虫求爱,干扰土著烟粉虱雌雄之间的交配,使后者交配频率下降,后代雌性比由独处时的约50%下降到20%~40%,压抑其种群增长。由于这种求偶互作在B型烟粉虱与土著烟粉虱之间的作用是对一方有利而对另一方有害的,因此我们将这一行为机制称之为“非对称交配互作”。

    非对称交配互作的发现揭示了动物入侵的一个极具威力的行为机制,这种机制是入侵者的一种重要内在潜能,当入侵者到达新地域与土著近缘生物共存产生互作,激发这一潜能迅速发挥作用,驱动其入侵和对土著生物的取代过程。研究发现,正是由于B型烟粉虱与土著烟粉虱之间存在非对称交配互作,因而在促进B型烟粉虱数量增长的同时,压抑土著烟粉虱种群增长,导致B型烟粉虱迅速入侵和扩张。这一发现成为破解B型烟粉虱入侵的关键,为解释该害虫的广泛入侵并取代土著烟粉虱的现象和规律,以及对其进一步入侵和地域扩张的预警提供了重要的理论依据。

    《科学》杂志的评审专家认为,这一研究综合应用生态学、行为学、分子生物学等领域的方法,将广泛系统的野外调查、巧妙的实验种群试验和独特且详细的行为观察有机地结合应用,而且研究在中国和澳大利亚两个地理区同时进行,设计之巧妙、数据之系统和完整,在入侵生物学研究领域实属罕见,得到的结论令人信服。他们指出,该研究是入侵生物学领域的开拓性工作,将对这一学科的发展起到显著的推动作用,同时昆虫学、农学、动物行为学、进化生物学等学科领域也会从中得到启迪。 

     基础研究为有害生物入侵防治导航

    加强外来危险生物的入侵机理、灾变机理及控制技术的基础研究,发展早期预警与预防、检测与控制理论技术,是解决外来有害生物入侵问题的根本途径。我国对外来物种入侵的研究起步较晚,特别是在对农林危险生物的入侵机理、灾变机理和控制的基础研究工作仍很薄弱,在整体上明显落后于国际水平,难以提升可持续控制技术的整体水平,这与我国预防与控制生物入侵的国家需求极不相称。有鉴于此,2002年12月科技部批准立项启动“973”项目——“农林危险生物入侵机理与控制基础研究”。该研究以外来物种入侵的不确定性和入侵后的暴发性为切入点,选择有代表性的已入侵和潜在入侵物种为研究对象,瞄准外来物种入侵过程中的遗传分化、扩张过程中的生态适应和潜在危险生物入侵早期预警三大关键问题为核心。

    4年来,针对烟粉虱、紫茎泽兰、松材线虫等的入侵机制与特征已取得一些重要进展。针对B型烟粉虱入侵后的暴发性及生态系统的可侵入性研究,除了发现其非对称交配互作机制外,还在B型烟粉虱入侵种群遗传分化与快速演变等方面取得突破。

    在紫茎泽兰的遗传分化与演变研究中,明确了入侵我国的紫茎泽兰具有丰富的遗传多样性,在不同生境的长期作用下已产生一定程度地遗传分化,形成了不同的地理种群;地理距离和海拔是影响种群间基因交流的重要因素。明确了紫茎泽兰入侵对土壤微生物的影响及土壤微生物存在正反馈作用,紫茎泽兰入侵改变了土壤微生物群落结构,创造了对自身生长有利的土壤环境,这是一个自我促进式的入侵机制。

    在松材线虫的入侵机制与特征研究方面,发现不同入侵来源的松材线虫种群多次入侵,导致其具有丰富的遗传多样性;发现松材线虫具有高繁殖潜能和强竞争能力,在入侵过程中能对本地近缘种产生种间竞争和替代。

    我们将继续深入开展外来物种入侵机理的研究,以实现该项目的总体目标,即阐明重要农林危险生物入侵机制、灾变机制及其控制的科学基础,提出预防和控制的科学理论、方法和技术。构建入侵生物学的科学理论与技术体系;生物入侵的研究整体上达到国际先进水平,部分处于国际领先水平。在入侵生物研究领域,造就一支高水平的研究队伍。
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