馬鈴薯甲蟲與寄主植物間的共進化及其防治

張 抒，范國權，高艷玲，張 威，邱彩玲，申 宇，魏 琪，劉 凱，呂典秋*

（1.黑龍江省農業(yè)科學院植物脫毒苗木研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.黑龍江省農業(yè)科學院，黑龍江 哈爾濱 150086）

馬鈴薯甲蟲（Leptinotarsa decemlineata），隸屬于鞘翅目（Coleoptera）葉甲科（Chrysomelidae）。成蟲體長10 mm，卵圓形。橘黃色，頭、胸部和腹面散布大小不同的黑斑，各足跗節(jié)和膝關節(jié)黑色，每鞘翅上有5個黑色縱條紋。馬鈴薯甲蟲是世界著名的毀滅性檢疫害蟲，分布遍及整個北半球，可以適應大約20種野生和栽培的茄科植物，其中危害最嚴重的是其視為首選寄主的栽培馬鈴薯（Solanum tuberosum）。這種害蟲可以使植株脫葉程度達到75%[1]，可導致馬鈴薯產量損失高達40%～80%[2]。馬鈴薯甲蟲也是中國重要的外來入侵物種和對外重大檢疫對象，馬鈴薯甲蟲已經被列入《中華人民共和國進出境植物檢疫有害生物名錄》[3]和“中國最具危險性的20種外來入侵物種”名單[4]。

1 馬鈴薯甲蟲的起源及擴散

馬鈴薯甲蟲起源地為美國落基山脈東坡，首次發(fā)現(xiàn)是在一種野生雜草刺萼龍葵（S.rostratum）上，1824年被記述為新種[5]。19世紀40年代中期，由于栽培馬鈴薯在美洲的大面積種植，馬鈴薯甲蟲的寄主范圍也發(fā)生了翻天覆地的變化，從原來僅有的野生寄主擴大到包括栽培馬鈴薯在內的諸多茄科作物上，使馬鈴薯甲蟲在美洲快速的擴散。19世紀60年代中期，馬鈴薯甲蟲在美國中西部危害馬鈴薯，并在20年內以每年100 km的速度擴散傳播到美國西海岸[6]。20世紀初，馬鈴薯甲蟲傳入法國。通過分析證實，歐洲馬鈴薯甲蟲種群與北美馬鈴薯甲蟲的遺傳變異性很低，因此對于馬鈴薯甲蟲來說，對歐洲的入侵非常成功，地域的差異并未對馬鈴薯甲蟲的入侵產生太大的阻礙[7]。馬鈴薯甲蟲以平均每年50 km的速度擴散，在大約30年內征服了中歐的大部分地區(qū)。如今，馬鈴薯甲蟲已經逐步傳播擴散到北美洲、歐洲、亞洲、非洲的40多個國家[8-10]。

馬鈴薯甲蟲于1993年在中國新疆伊犁河谷地區(qū)和塔城地區(qū)的兩市一縣首次被發(fā)現(xiàn)，僅用了2年時間，便擴散至以上2個地區(qū)的15個市縣。在此后的25年中，馬鈴薯甲蟲以每年80 km的速度，沿著天山北坡向東擴散，如今馬鈴薯甲蟲在北疆的直線擴散距離已經超過了800 km，分布面積達到30萬km2，分布區(qū)域跨越了7個州（地、市）的38個區(qū)（縣、市）[11]。由于馬鈴薯甲蟲在俄羅斯已經擴散至遠東濱海邊疆地區(qū)，這也使中國東北地區(qū)成為了馬鈴薯甲蟲入侵中國的另一個入侵點。吉林琿春出入境檢驗檢疫局于2013年在距中俄邊境線僅1 km的馬鈴薯田發(fā)現(xiàn)了馬鈴薯甲蟲的零星分布。2014，2015和2016年黑龍江連續(xù)在綏芬河、虎林等地發(fā)現(xiàn)馬鈴薯甲蟲。2018年6月8日，農業(yè)農村部辦公廳印發(fā)了《全國農業(yè)植物檢疫性有害生物分布行政區(qū)名錄》（表1）。根據(jù)全國農業(yè)植物有害生物調查，馬鈴薯甲蟲現(xiàn)分布中國3個省（自治區(qū)）46個縣（區(qū)、市）。

2 馬鈴薯甲蟲的適應機制

馬鈴薯甲蟲從落基山脈擴散到目前的全球范圍，實際上是由各種生理生態(tài)適應的演變造成的。首先，馬鈴薯甲蟲的擴散是基于新的昆蟲-植物相互作用的演變。對于馬鈴薯甲蟲來說，“舊的”寄主和“新的”寄主均可以被取食，因此這個過程被稱為寄主擴散[12]。而且，馬鈴薯甲蟲種群在新寄主上也表現(xiàn)出了多樣性，甚至在一些地區(qū)，馬鈴薯甲蟲通過進化提高了對其他茄科作物的適應性，從而成為了茄子和番茄的主要害蟲。此外，馬鈴薯甲蟲種群的寄主范圍不僅限于栽培茄科植物，還可以危害一些野生茄屬植物，雖然野生茄屬植物與栽培馬鈴薯相比由于缺少施肥和灌溉，因此繁茂度較低[13]，但是這些替代寄主可以在馬鈴薯長出葉片之前或者在馬鈴薯甲蟲爆發(fā)期間當馬鈴薯植株耗盡時為馬鈴薯甲蟲提供額外的食物。此外，馬鈴薯甲蟲種群在生命史中具有足夠的遺傳變異，這是新環(huán)境中適應性策略演變的先決條件。隨著馬鈴薯種植范圍的擴大，馬鈴薯甲蟲對面臨的各種不利條件也進行了相應調整。例如，俄羅斯的氣溫與其他歐洲地區(qū)相比要低的多，為了適應俄羅斯的低溫環(huán)境，馬鈴薯甲蟲俄羅斯種群表現(xiàn)出了更快的繁殖速度，更高的存活率以及更快的生長速度，并延長了在土壤中越冬的時間[14]。

表1 馬鈴薯甲蟲分布行政區(qū)名錄（2018）Table 1 Administrative district distribution of Colorado potato beetle

馬鈴薯甲蟲作為一種世界性入侵有害生物，能夠成功入侵40多個國家還有其他幾個原因。

（1）分泌蛋白，抵御天敵。馬鈴薯甲蟲幼蟲和成蟲會產生馬鈴薯甲蟲毒蛋白（一種神經毒素），保護其免受天敵捕食。馬鈴薯甲蟲天敵主要為一些節(jié)肢動物寄生蟲和天敵昆蟲，如瓢蟲（Coleomegilla maculata），蝽（Perillus bioculatus）或步甲（Lebia grandis）等，天敵昆蟲可以顯著降低馬鈴薯甲蟲群體數(shù)量[15-17]。但是，由于并非所有的馬鈴薯甲蟲天敵都可以跟隨馬鈴薯甲蟲到新的定殖地，所以馬鈴薯田間這些天敵昆蟲的密度通常不足以危及馬鈴薯甲蟲種群數(shù)量。例如，20世紀60年代，歐洲曾經嘗試引進美國馬鈴薯甲蟲天敵蝽（P.bioculatus），在斯洛伐克、法國、德國、波蘭、俄羅斯、意大利和匈牙利的馬鈴薯田大規(guī)模釋放，但這種馬鈴薯甲蟲天敵昆蟲卻無法在歐洲任何地方歸化[18]。

（2）馬鈴薯甲蟲以對殺蟲劑抗藥性增長速度而聞名。針對馬鈴薯甲蟲進行測試的殺蟲劑種類已經多達數(shù)百種，但是無論使用砷、有機氯、氨基甲酸酯、有機磷酸酯或擬除蟲菊酯都不能破壞馬鈴薯甲蟲的適應機制。馬鈴薯甲蟲可以通過誘導解毒酶，減少殺蟲劑滲透，增加殺蟲劑排泄或靶位點突變，降低其敏感性[19,20]。一些新應用的殺蟲劑在第2年甚至第1年使用就已宣告失敗。例如，吡蟲啉是一種新煙堿類殺蟲劑，已經使用超過10年的時間，可是在21世紀初馬鈴薯甲蟲就對其開始產生明顯抗性[21]。由于馬鈴薯甲蟲抗性的快速發(fā)展，更多的化學殺蟲劑被用于控制這種害蟲，在發(fā)達國家每年至少0.6 t的各種殺蟲劑被用于防治馬鈴薯甲蟲[20]。雖然許多新的殺蟲劑是針對馬鈴薯甲蟲開發(fā)和測試的[21]，但任何一個都無法證明可以成功的防治這種貪婪的害蟲。

（3）馬鈴薯甲蟲生命周期的特點及可塑性也使得其種群適應性大幅度提高。根據(jù)氣候情況，雌蟲每年可以產卵數(shù)次，并且雌蟲繁殖能力很強。在實驗室條件下，每個雌蟲可以產下3 000多枚卵[22]。馬鈴薯甲蟲如此強大的繁殖速度保證了龐大的種群數(shù)量，因此在遇到惡劣條件時產生高適應性遺傳變體的幾率也隨之增高，從而保證新的自適應隨機突變的出現(xiàn)。這些舊的和新的遺傳變異體可以通過自然選擇快速提高抗性，并且擴大抗性群體。此外，直到生殖成熟，大約25%的新羽化成蟲會在幼蟲（移動能力較差）和蛹附近，因此一旦產生新羽化成蟲就會開始交配，已經產生抗性的個體可以產生純合抗性的后代[23]。大多數(shù)馬鈴薯甲蟲雌蟲進入冬季滯育，一部分種群可能將滯育期延長2年以上，滯育使馬鈴薯甲蟲保持休眠狀態(tài)，只有在條件變得有利之后才開始繼續(xù)繁殖。這種特性使得馬鈴薯甲蟲防控有效性大打折扣（如輪作和殺蟲劑的交替使用）。

3 馬鈴薯甲蟲與寄主植物間的共進化

食草昆蟲和植物之間的相互作用非常復雜，作為一個共同進化的過程，已經進行了超過4億年的時間[24]。昆蟲不斷適應并更有效的利用寄主植物，同時植物也不斷產生新的防御機制來抵御昆蟲的攻擊。在這種生物戰(zhàn)中，植物和昆蟲在互動中互相改變，不斷前進。

馬鈴薯甲蟲成蟲被植物揮發(fā)性有機化合物（Volatile organic compounds，VOCs）吸引到寄主植物上。馬鈴薯甲蟲可以在距離50 m以內感知到野外的這種揮發(fā)物質[25]，馬鈴薯VOCs對馬鈴薯甲蟲的敏感性和吸引力隨著馬鈴薯甲蟲饑餓度和性成熟的增加而增加[26]。馬鈴薯甲蟲通過識別植物揮發(fā)化合物來決定是否進食。馬鈴薯甲蟲通過識別馬鈴薯VOCs將馬鈴薯與其他植物區(qū)分開來，并且只有完整的馬鈴薯VOCs以非常特定的比例才可以吸引馬鈴薯甲蟲[27]。馬鈴薯甲蟲可以通過使用信息素和植物揮發(fā)性信號在馬鈴薯上聚集和繁殖。

在昆蟲取食茄科植物的同時，茄科植物也具有相應的防御機制，茄科植物中含有糖苷生物堿，如茄堿、卡茄堿、勒帕茄堿和垂茄堿，主要通過被吞食后發(fā)揮作用，而其中一些可能對馬鈴薯甲蟲幼蟲發(fā)育有負面影響[28]。然而，由于馬鈴薯甲蟲能夠耐受這些毒素[29]或具有解毒機制[30]，因此馬鈴薯甲蟲依然可以以茄科植物為食。

馬鈴薯還存在第二道防線，即誘導型防線。物理傷害和馬鈴薯甲蟲反流的成分都能引起馬鈴薯的防御反應。植物可區(qū)分物理傷害與昆蟲侵染[31]，反流反應基因包括僅對昆蟲攝食有反應的基因和可通過昆蟲攝食來調節(jié)其表達的物理傷害反應基因。目前顯示反流誘導了73個馬鈴薯基因，而通過向受傷葉片加入馬鈴薯甲蟲反流成分可抑制54個基因[32]。此外，馬鈴薯甲蟲的取食調節(jié)了29個葉蛋白的表達，其中16個蛋白被下調，而只有8個蛋白在受傷時表達發(fā)生改變[33]。許多表達的基因對應于應急相關的誘導蛋白，包括蛋白酶抑制劑（PI）、病原體應答蛋白、過氧化物酶和多酚氧化酶，這些化合物在植物直接防御中是非常重要的。而且，通過馬鈴薯甲蟲的取食還能提高編碼參與間接防御基因的表達，如吸引馬鈴薯甲蟲天敵揮發(fā)物的相關基因。

盡管馬鈴薯甲蟲取食啟動了馬鈴薯防御機制，但是馬鈴薯甲蟲卻可以通過各種各樣的手段抑制或繞開這些馬鈴薯防御。同時馬鈴薯也不會坐以待斃，例如馬鈴薯甲蟲攝食會引起馬鈴薯光合作用相關組分的下調，這既說明碳源向防御的轉移，又會使植物葉片營養(yǎng)價值降低[34]，從而對昆蟲適應性產生負面影響。此外，一些馬鈴薯可以識別出馬鈴薯甲蟲在葉片上產卵，并且使卵周圍形成壞死，葉片壞死之后卵塊從葉子上脫落，這是首先在波蘭的馬鈴薯田觀察到的一種現(xiàn)象。盡管卵從葉片掉落到地面對成蟲羽化或卵的孵化沒有影響，但是在田間條件下卻可以大幅度的降低新孵化幼蟲成功定殖馬鈴薯的比例[35]。

4 馬鈴薯甲蟲防治

4.1 檢疫措施

口岸部門應做好出入境檢驗檢疫工作，嚴禁馬鈴薯甲蟲由境外通過貨物或人員攜帶傳入境內。在已發(fā)生馬鈴薯甲蟲的地區(qū)，應立即封鎖并采取撲滅措施，同時將此地區(qū)劃定為疫區(qū)，在此地區(qū)生產的馬鈴薯不得調出。其他農產品在調運前應進行產地檢疫，避免由于農產品調運造成的疫情擴散。在臨近疫區(qū)的區(qū)域也應加強調運貨物檢疫，并且運載工具、包裝物等也需進行消毒處理[36]。馬鈴薯甲蟲發(fā)生較嚴重地區(qū)應在周圍建立隔離帶，隔離帶內禁止種植茄科作物。馬鈴薯甲蟲零星發(fā)生地區(qū)，除定點誘集監(jiān)測點外應減少或禁止種植茄科作物。

4.2 農業(yè)及物理防治

4.2.1 輪作倒茬

馬鈴薯田應采取輪作倒茬的種植模式[36,37]，輪作可以減輕馬鈴薯土傳病害，又可降低馬鈴薯甲蟲的發(fā)生程度，輪作時要避免與其他茄科作物重茬，可以與小麥、玉米、大豆等作物輪作。輪作適用于馬鈴薯甲蟲發(fā)生較重地區(qū)，零星發(fā)生地區(qū)應在發(fā)生地塊繼續(xù)種植馬鈴薯，避免春季成蟲出土時需遠離曾發(fā)生地覓食而導致的擴散傳播。

4.2.2 集中誘殺

由于馬鈴薯甲蟲是一種專食性昆蟲，且在茄科作物中以馬鈴薯對馬鈴薯甲蟲的誘集力最強，因此在馬鈴薯甲蟲發(fā)生較嚴重地區(qū)，可集中種植馬鈴薯誘集帶，利用馬鈴薯甲蟲春季出土后會就近覓食、產卵，且活動范圍小等特點，對春季出土的馬鈴薯甲蟲集中誘殺。

針對馬鈴薯甲蟲零星發(fā)生地區(qū)，也可設置馬鈴薯誘集帶，在春季馬鈴薯甲蟲出土時采用人工捕殺的方式進行防治。針對馬鈴薯甲蟲零星發(fā)生地區(qū)不建議使用化學防治方法，以避免昆蟲抗藥性的積累。

4.2.3 深翻冬灌

馬鈴薯收獲后應進行秋整地，既可增加土壤疏松度，又可一定程度上破壞馬鈴薯甲蟲越冬場所。也可以采用冬灌的措施，殺死部分越冬成蟲和蛹，從而達到降低馬鈴薯甲蟲成功越冬幾率，減輕其危害[37]。

4.3 生物防治

生物防治是應用生物物種之間的關系，用有益生物消滅或抑制有害生物的一種方法。生物防治大致可以分為以鳥治蟲、以菌治蟲和以蟲治蟲這幾類，生物防治可避免環(huán)境污染、不產生抗藥性，與化學農藥相比具有諸多優(yōu)勢。

4.3.1 利用捕食性天敵防治

新疆是中國最早發(fā)現(xiàn)馬鈴薯甲蟲的地區(qū)，也是危害最嚴重的地區(qū)，經過中國科技工作者的不懈努力也為中國馬鈴薯甲蟲的防治提供了重要數(shù)據(jù)。研究表明，新疆馬鈴薯甲蟲發(fā)生區(qū)其天敵有46種，其中昆蟲天敵有25種，蜘蛛類有21種，尚未發(fā)現(xiàn)專一性捕食性天敵[38]，如：中華草蛉（Chrysopa sinica）、多異瓢蟲（Adonia variegata）、中華長腿胡蜂（Polistes chinesis）、華姬蝽（Nabis sinoferus）、草間小黑蛛（Hylyphantes graminicola）等[39,40]。

4.3.2 利用昆蟲病原微生物防治

昆蟲病原微生物是指可以寄生在昆蟲上并導致蟲體發(fā)病的微生物，如：綠僵菌（Metarhizium anisopliae）、擬青霉（Fungi imperficti）、球孢白僵菌（Beauveria bassiana）、蘇云金芽孢桿菌（Bacillus thuringiensis）等。近年來國內外廣泛開展了昆蟲病原微生物的分類、基因工程改造、致病機制、制劑開發(fā)等方面的工作，其中很多已應用于生產。

4.3.3 利用生物源農藥防治

生物源農藥指從動植物、微生物等中提取的活性成分或按活性結構合成的化合物及衍生物，對作物施用后，可以殺死或抑制害蟲的生物制劑。按照來源不同可分為幾大類，主要包括：微生物源類殺蟲劑、植物源殺蟲劑、昆蟲生長調節(jié)劑類殺蟲劑[38]。

4.3.4 利用RNA干擾技術防治

RNA干擾技術（RNA interference，RNAi）是指利用雙鏈RNA可以誘發(fā)與其序列同源的mRNA分子降解引起的基因沉默，實現(xiàn)抑制特定基因表達的一種技術。RNAi由于具有諸多優(yōu)點因此被迅速應用到馬鈴薯甲蟲控制的研究中。目前，針對馬鈴薯甲蟲防治而被選擇的目標基因主要有：乙酰膽堿酯酶蛋白運輸?shù)鞍譻ec23，β-actin，衣被亞基β，液泡ATP合酶亞基A、B和E，3-羥基-3-甲基戊二酰-CoA還原酶，腺苷高半胱氨酸水解酶，保幼激素酯酶，甲基戊酸激酶，抗增殖蛋白，脯氨酸脫氫酶，細胞色素P450酶和蘭尼堿受體等[41]，利用RNAi技術影響上述靶標基因的正常表達，從而達到防治馬鈴薯甲蟲的目的。

4.4 化學防治

盡管馬鈴薯甲蟲防治手段有很多，但迄今為止最有效的防治方法仍然是化學農藥。根據(jù)國內外多年的防治經驗，現(xiàn)今多種主流殺蟲劑對馬鈴薯甲蟲都有較高的防治效果，如：擬除蟲菊酯類殺蟲劑（高效氯氟氰菊酯、溴氰菊酯、甲氰菊酯等）及煙堿類殺蟲劑（噻蟲嗪、吡蟲啉等）。還有一些高毒化學農藥也曾被使用在馬鈴薯甲蟲防治上，如：敵敵畏、樂果、久效磷、敵百蟲等有機磷、有機氯農藥。但是正如前文提到的，馬鈴薯甲蟲以對殺蟲劑抗藥性增長速度而聞名，因此在使用化學藥劑防治時，需合理交替用藥，減少殺蟲劑抗性積累。馬鈴薯甲蟲零星發(fā)生地區(qū)不建議使用化學藥劑防治，盡量采用物理防治、生物防治等手段，以避免昆蟲抗藥性的積累。