我國水稻螟蟲發生及治理研究進展

葉恭銀, 方 琦, 徐紅星, 吳順凡, 滕子文,徐 剛, 黨 聰, 熊時姣

(1. 浙江大學昆蟲科學研究所，水稻生物育種全國重點實驗室，農業農村部作物病蟲分子生物學重點實驗室，浙江省作物病蟲生物學重點實驗室，杭州 310058；2. 浙江省農業科學院植物保護與微生物研究所，農產品質量安全危害因子與風險防控國家重點實驗室，杭州 310021；3. 南京農業大學植物保護學院，綠色農藥創制與應用技術國家地方聯合工程研究中心，南京 210095；4. 青島農業大學植物醫學學院，山東省植物病蟲害綜合防控實驗室，中澳作物健康與入侵生物國家科技合作基地，中澳農業與環境健康聯合研究院，青島 266109；5. 揚州大學植物保護學院，揚州 225009；6. 杭州師范大學生命與環境科學學院，杭州 311121)

水稻作為世界性的糧食作物,是我國和世界許多國家的重要口糧之一。水稻在我國國民經濟乃至世界經濟中占有極為重要的地位,其高產與優質對保障我國國民經濟與糧食安全具有極其重要的意義[1]。根據對全球糧食問題熱點地區與病蟲害密切相關的水稻生產損失進行的估算,平均損失水平為30.0%(變化在24.6%～40.9%間),而在我國平均損失可達32.2%[2]。據2016年的統計數據顯示,導致我國水稻生產損失的最主要病蟲害是水稻紋枯病和水稻螟蟲,均占總體損失的8.75%[2]。20世紀90年代后期以來,受水稻品種、栽培耕作制度、害蟲抗藥性及全球氣候變化等因素的影響,我國水稻主要產區連續多年遭受水稻螟蟲的暴發為害[3]。尤其是2012年以來,這種暴發態勢更為顯著。水稻螟蟲俗稱水稻鉆心蟲,其種類主要有:鱗翅目草螟科的二化螟Chilosuppressalis、螟蛾科的三化螟Scirpophagaincertulas、臺灣稻螟Chilotraeaauricilia、水稻褐邊螟Catagelaadjurella,夜蛾科的稻蛀莖夜蛾(大螟)Sesamiainferens。目前則以二化螟和三化螟為害最為嚴重。其中,二化螟是亞洲、北非和南歐最重要的水稻害蟲之一[4]。迄今,化學防治仍是防治水稻二化螟的主要方法。然而,二化螟已對許多化學殺蟲劑產生了抗性,據估計每年控制這種害蟲的成本約為1.6億美元[5]。目前,該害蟲已被列入農業農村部《一類農作物病蟲害名錄(2023)》[6]。水稻螟蟲在我國已上升為水稻生產的頭號害蟲,其蟲口密度高、年發生世代多、為害范圍廣、為害程度重、持續時間長、防治難度大、經濟損失大、生態環境及社會成本高,給農業生產造成較大的經濟損失,已成為制約我國水稻產業綠色健康可持續發展的重要因素之一[3,7]。本文重點以二化螟為例,就水稻螟蟲發生與為害現狀、抗藥性演化、抗螟水稻種質資源挖掘與品種創制、水稻螟蟲生理生化與毒理學研究及新型殺螟藥劑研發、水稻螟蟲寄生蜂資源及其利用,以及水稻螟蟲生態調控技術等方面的近期主要研究成果作一綜述,以期為全面了解我國水稻螟蟲發生為害及其治理研究現狀,并為水稻螟蟲可持續控制與水稻綠色生產的實踐提供依據。

1 水稻螟蟲發生與為害現狀

水稻螟蟲是我國水稻生產中重要的鉆蛀性害蟲,它在水稻苗期及分蘗期可造成枯心,在孕穗期可造成枯孕穗,在穗期造成白穗、癟谷及蟲傷株,嚴重影響水稻產量與品質。為害程度輕者導致水稻產量損失10%,重者可損失30%以上,甚至導致顆粒無收[8]。就水稻螟蟲的田間種群結構而言,我國不同稻區以二化螟和三化螟為主要害蟲。其中,北緯27°～32°、東經103°以東地區是二化螟的主要重發生區;而三化螟則主要重發于廣西中部、福建西南局部、湖北東局部、江西東北局部等稻區[9]。從食性上來說,三化螟屬于單食性害蟲,僅取食水稻;而二化螟和稻蛀莖夜蛾則為多食性害蟲,除主要取食水稻外,也取食小麥、大麥、油菜、蠶豆、玉米、高粱、茭白、甘蔗等作物,以及稗、看麥娘等雜草[8]。

就我國不同稻區而言,水稻螟蟲為害以華中稻區為重,發生面積較大;而西南稻區、東北稻區和華北稻區的二化螟較其他水稻害蟲發生面積大,年均發生面積分別達到246.34萬hm2次、67.16萬hm2次和45.04萬hm2次,明顯高于相應稻區內三化螟、稻縱卷葉螟、褐飛虱、白背飛虱和灰飛虱5種害蟲發生面積[1]。二化螟主要分布于我國長江流域及其以南主要稻區,特別是在沿海、沿江平原地區為害最為嚴重。在2006年至2015年期間,二化螟所造成的水稻實際總損失量達502.46萬t,僅次于稻飛虱(1 309.79萬t)和稻縱卷葉螟Cnaphalocrocismedinalis(706.75萬t)[10]。在以廣東為主的華南稻區,水稻螟蟲種類一直以三化螟為主,但其發生呈逐年減輕趨勢;稻蛀莖夜蛾及臺灣稻螟的分布范圍較窄,僅呈零星發生狀態。而二化螟主要分布于粵北和粵東部分稻區,且呈逐年上升趨勢,在部分稻區已成為優勢種群[11-12]。而在以湖北為主的華中稻區,田間水稻螟蟲的發生種類主要為二化螟、三化螟和稻蛀莖夜蛾,未見有臺灣稻螟和水稻褐邊螟。其中,二化螟為田間優勢種群,三化螟僅在部分地區零星發生,而稻蛀莖夜蛾在部分地區亦有一定程度發生,并呈加重趨勢[13]。

自1970年以來,我國農作物病蟲害發生率整體呈大幅上升趨勢,從53%增加到218%,整體增加了約4倍(1970年-2016年數據)[14]。據2010年-2020年間數據分析,發現我國主要水稻產區(除東北稻區外)的年均害蟲發生總面積與播種面積比值均超過1.00,其中華中稻區的比值最高,達2.59[1]。全國農業技術推廣服務中心組織各省(區、市)測報技術人員和有關專家進行會商,結合水稻病蟲基數、水稻栽培管理和品種布局、今冬明春氣候條件等因素綜合分析,預計2023年全國水稻病蟲害將呈偏重發生態勢,發生面積將達7 733萬hm2次。其中,蟲害發生面積5 333萬hm2次,二化螟將呈偏重發生[15]。縱觀我國水稻螟害的發生歷史,其發生規律亦隨時間變遷在不斷變化。20世紀50年代初,我國水稻種植制度基本是單季或間作,大部分地區的螟害以二化螟為主。20世紀60年代前后,隨著雙季稻在主產稻區的逐步推廣,三化螟普遍大量發生。隨后,在完全實現雙季稻的地區,三化螟數量下降,二化螟也隨之減少,因此20世紀70年代我國水稻螟害輕微。進入20世紀80年代,隨著單季稻和雜交稻的推廣,二化螟迅速回升,尤其在長江以北的廣大單季稻區擴展得尤為迅猛。20世紀90年代,我國稻螟災害迅速接近和超過歷史最高水平,其中二化螟災害尤為嚴重[3, 16-17]。在2003年至2013年這十年間,水稻螟蟲為害及其對水稻所造成的損失基本維持在較低水平,水稻螟害控制較為有效[8]。然而,據全國農業技術推廣服務中心水稻病蟲害情報及相關數據顯示,自2013年至今,因水稻螟蟲對化學殺蟲劑抗性的不斷增強,主推水稻品種對螟蟲抗性較弱,水稻種植、栽培及管理模式變化以及氣候變化等因素影響,導致水稻螟蟲的為害始終維持在持續暴發水平,部分年份為害程度及水平甚至超過20世紀90年代末至21世紀初的程度及水平。那么,造成水稻螟蟲發生規律演變的原因何在?在收集整理浙江嘉興市近70年水稻耕作制度和螟蟲發生為害資料的基礎上分析水稻耕作制度對螟蟲發生為害的影響,發現單雙季混栽類型對水稻螟蟲發生為害最有利,其次是純雙季稻類型,最為不利的是純單季稻類型[8]。因此,螟蟲發生和為害與水稻耕作制度及栽種時期、栽種方式等密切相關。揭示水稻耕作制度演變與螟蟲發生為害之間的關系,對有效控制水稻螟蟲為害具有重大意義[8]。

2 水稻螟蟲的抗藥性演化

2.1 對氯蟲苯甲酰胺的抗性

氯蟲苯甲酰胺(chlorantraniliprole)是2000年研發的一種對鱗翅目害蟲具有良好防效的第一代魚尼丁受體(ryanodine receptor, RyR)調節劑。其2010年開始被登記用于二化螟的田間防控,取得了優良效果,然而由于不科學使用,局部地區二化螟種群已對氯蟲苯甲酰胺產生了高水平抗性。2022年對田間二化螟監測結果顯示,監測地區二化螟種群對雙酰胺類藥劑氯蟲苯甲酰胺為敏感至高水平抗性(抗性倍數0.9～710.0倍),高抗種群占比78.6%[18]。Xu等在室內連續篩選25代獲得了二化螟抗氯蟲苯甲酰胺品系WHR(82.37 倍),發現組成型P450基因的表達上調可介導二化螟對氯蟲苯甲酰胺的抗性[19]。Meng等通過增效劑試驗表明,ABC轉運蛋白(ATP-binding cassette)基因ABCC8、ABCG1C和ABCH1在經氯蟲苯甲酰胺處理的二化螟幼蟲體內顯著上調表達[20]。另有研究發現ABCA1、ABCD2和ABCH2在3種抗氯蟲苯甲酰胺二化螟品系R1、R2和HR中共同表達上調,以上研究結果表明,ABC轉運蛋白可能參與二化螟對氯蟲苯甲酰胺的代謝抗性[21]。Zhao等借助增效劑試驗發現,5-硝基脲嘧啶和硫吡唑酮處理可顯著提高氯蟲苯甲酰胺對二化螟幼蟲的毒力,UGTs(UDP-glucuronosyltransferases)的過表達與二化螟對氯蟲苯甲酰胺的抗性有關[22]。研究表明,靶標突變是害蟲對氯蟲苯甲酰胺產生抗性的主要原因。目前,二化螟中的魚尼丁受體突變位點有: I4758M、Y4667D/C、G4915E、Y4891F。Yao等監測到2014年余姚種群(YY14)對氯蟲苯甲酰胺的抗性倍數為77.6倍,對魚尼丁受體跨膜結構域測序發現了G4910E點突變,其突變頻率為23.75%[23]。Sun等在連續篩選30代的抗氯蟲苯甲酰胺二化螟種群中發現了一個新的突變Y4667D,其突變頻率為97.4%,保守突變(I4758M)和新突變(Y4667D/C)在介導二化螟對氯蟲苯甲酰胺的抗性中起著重要作用[24]。之后,Huang等分析了2016年-2018年我國7個省份二化螟對氯蟲苯甲酰胺的抗性狀況,結果顯示存在I4758M、Y4667D/C、G4915E和1個新的Y4891F RyR點突變[25]。2019年對我國7個省份28個二化螟種群對氯蟲苯甲酰胺的抗性水平的調查結果顯示,與敏感種群相比,抗性水平為311.9～2 060.1倍;同時,對RyR突變位點進行分析顯示:I4758M、Y4667D、Y4667C和Y4891F位點突變存在于對氯蟲苯甲酰胺具有不同抗性水平的二化螟種群中;此外,研究發現I4758M與Y4667C雙突變能介導二化螟對氯蟲苯甲酰胺產生更高水平的抗性[26]。

2.2 對阿維菌素的抗性

阿維菌素(abamectin)在防治二化螟上發揮了重要作用,但自2004年以來,部分稻區相繼報道了二化螟對阿維菌素產生了抗性[27-28]。目前二化螟種群對阿維菌素為敏感至高水平抗性(抗性倍數0.6～386.6倍)[29]。ABC轉運蛋白抑制劑維拉帕米可顯著提高阿維菌素對二化螟的毒力,其中3種ABC轉運蛋白基因ABCC8、ABCE1和ABCH1可能參與了二化螟對阿維菌素和其他幾種殺蟲劑的解毒和轉運[30]。經阿維菌素處理的二化螟幼蟲體內存在16個谷胱甘肽巰基轉移酶(GSTs)基因表達上調(1.7～14.6倍),其中的4個GSTs基因(GSTe2、GSTe4、GSTo4和GSTu1)在解毒代謝相關組織如中腸和脂肪體中顯著上調表達,表明GSTs基因表達上調與二化螟對阿維菌素的解毒代謝相關[31]。

2.3 對甲氧蟲酰肼的抗性

甲氧蟲酰肼(methoxyfenozide)是第2代雙酰肼類昆蟲生長調節劑[32],由美國羅姆-哈斯(現陶氏益農)公司1990年發現,對鱗翅目害蟲非常有效[33-36]。研究表明,二化螟對甲氧蟲酰肼具有較高的抗性風險,而且對甲氧蟲酰肼產生抗性的田間二化螟種群與其他雙酰肼類殺蟲劑存在明顯的交互抗性;用亞致死劑量甲氧蟲酰肼處理二化螟,會導致幼蟲發育歷期延長,化蛹率和產卵率均顯著降低,表明甲氧蟲酰肼處理可顯著降低二化螟的適合度[37]。田間監測結果表明,2016年我國浙江二化螟田間種群已對甲氧蟲酰肼產生了中等水平抗性[38]。

2.4 對三唑磷的抗性

有機磷類殺蟲劑三唑磷(triazophos)在20世紀90年代后期被應用于水稻螟蟲的防治,2001年至2006年監測發現,浙江、江蘇、江西和湖南等部分地區二化螟種群對三唑磷分別產生了低至高水平的抗性[39-40]。據2022年檢測結果顯示,二化螟種群對有機磷類藥劑三唑磷、毒死蜱為敏感至中等水平抗性(抗性倍數分別為1.3～38.6倍)。二化螟對三唑磷的抗性機制中,AChE的敏感性降低起主要作用[18]。Zhao等監測到四川多地田間二化螟種群對三唑磷表現出中等水平的抗性(23.9～83.5倍)[41];增效劑試驗表明,二化螟XW19品系對三唑磷的抗性可能與細胞色素P450有關;進一步通過定量PCR分析發現,CYP324A12、CYP321F3和CYP9A68在XW19品系中上調表達。Jiang等從抗三唑磷的二化螟中發現氨基酸突變A314S與抗藥性相關,突變頻率為32.5%～100%[42]。

2.5 對克百威的抗性

在二化螟中,Dai等利用Bac-to-Bac系統表達8個乙酰膽堿酯酶1(CsAChE1)突變體(含A314S、R667Q和H669P的不同組合),發現A314S位點突變能使CsAChE1突變體對克百威(carbofuran)的抗性增加10.6倍,且R667Q位點突變賦予了野生型和A314S位點突變的乙酰膽堿酯酶活性增加的能力[43]。Chang等發現二化螟抗性種群CH(彰化Changhua)、CY(嘉義Chiayi)的乙酰膽堿酯酶(AChE)置換頻率明顯高于敏感種群HC(新竹Hsinchu),且兩個抗性種群對克百威不敏感,其次雖然來自CH和CY種群的乙酰膽堿酯酶的Km和Vmax降低到敏感種群HC的72%～87%,但總體催化效率(Vmax/Km)在所有3個種群中保持不變[44]。以上結果表明,二化螟乙酰膽堿酯酶的氨基酸替換與乙酰膽堿酯酶動力學的改變及其對克百威的抗性有關。

3 抗螟蟲水稻種質資源挖掘與品種創制

3.1 種質資源的挖掘

從傳統水稻種質資源中挖掘抗螟蟲水稻被認為是最經濟、持久、綠色的螟蟲防治方法。從20世紀60年代開始,國際水稻所在超過2萬份水稻品種中鑒定出‘TKM6’‘Chianan 2’‘Taitung 16’等30余份對二化螟中等抗性的水稻材料,但是沒有發現高抗的材料[45]。我國抗二化螟水稻品種鑒定始于20世紀80年代,周祖銘對國內農家品種、國外引種、雜優三系材料等共3 812個水稻品種進行二化螟抗性鑒定,發現‘B-輻A’和‘IR40’對二化螟具有較強抗性,‘WI263’‘紅米冬粘’等14個材料為中抗品種[46]。隨后在對江蘇省主栽水稻品種的抗螟性鑒定中發現‘鎮稻2號’‘鎮稻88’‘武復粳’等10余個中抗材料[47-48]。在江西省344個水稻品種資源和當家品種中篩選出‘碑田倒’和‘銀間雜糯’2個抗二化螟品種[49]。從湖南省種植面積較大的15個晚稻品種中篩選出‘S46’‘T111’‘T優207’等7個高抗品種[50]。在38個東北稻區種植較為廣泛的水稻品種和8個雜草稻中篩選到‘1688’和‘1654’兩個具有較好二化螟抗性的水稻品種[51]。通常認為粳稻的抗螟性好于秈稻,然而劉光杰等評價了2個常規秈稻和2個雜交秈稻品種對二化螟的抗性,雖未發現高抗二化螟的品種,但是燦稻‘中1061’對二化螟的耐蟲性最強[52];李永洪等發現秈稻‘A232’在室內和田間均表現出對二化螟的中等抗性[53]。

目前,從傳統種質資源中篩選到的抗二化螟水稻材料還比較少,利用這些種質資源培育出的抗二化螟水稻更是十分有限。已有研究報道,水稻對二化螟的抗性主要與水稻植株的形態特征(高矮、莖粗細和葉片寬度、厚度等)、組織學特性(厚壁組織寬厚、薄壁組織細胞密度、氣孔大小、硅細胞密度、硅質化程度等)、生理生化特性(總糖、碳水化合物含量、氨基酸含量等)及環境因子(硅酸鹽、磷、鉀肥料等)緊密相關[54-57]。根據這些特征,未來需要育種學家與昆蟲學家協同合作,發現更多的抗二化螟基因并應用于水稻育種實踐中。

3.2 抗螟蟲轉基因水稻的研究

轉基因技術的發展為抗螟蟲水稻的培育開辟了新的途徑。有研究報道,如果轉基因抗蟲水稻大面積種植,將會有效控制水稻螟蟲的為害,減少化學殺蟲劑的使用,增加農民的收入[58]。我國自1989年獲得首例轉Bt(Bacillusthuringiensis)基因抗蟲水稻以來,有關高抗螟蟲的Bt水稻種質創制一直處于國際領先地位。楊虹等將來自于Bt亞種Aizawai7-29的δ-內毒素基因采用聚二乙醇法導入到粳稻‘臺北309’的原生質體中,首次得到轉Bt基因水稻植株[59]。之后有一系列轉Bt基因水稻問世,這些水稻品系大部分通過農桿菌介導法、基因槍法等轉化方法將Bt基因導入,表達Cry1A,Cry1C,Cry2A或Cry1Ab/Vip3H等Bt蛋白,在室內和田間試驗中表現對包括二化螟在內的多個水稻鱗翅目害蟲的高度抗性[60-62]。隨著轉基因技術的發展,雙基因或多基因可以同時轉入到水稻植株內獲得多性狀復合的轉基因作物。朱禎將cry1Ac基因和豇豆胰蛋白酶抑制劑基因cpTI進行融合后轉入水稻植株,獲得更高效的抗螟蟲轉基因水稻[63],王愛菊等將cry1Ab基因和Xa21基因轉入水稻獲得抗螟蟲抗白葉枯病轉基因水稻[64]。

當二化螟取食表達Bt蛋白的轉基因水稻后,Bt蛋白進入其腸道中經蛋白酶水解成小肽,結合到中腸上皮細胞膜的特異性受體上,使細胞通透性發生變化,進而導致其死亡[65]。基于該殺蟲機制,稻田非鱗翅目昆蟲中腸沒有可以與Bt蛋白結合的特異性受體,因此Bt抗蟲水稻不會對稻田非鱗翅目昆蟲產生影響[66]。然而,由于Bt抗蟲水稻可以顯著降低稻田包括二化螟在內的多種水稻螟蟲的數量,并減少了農藥使用量,可能改變稻田節肢動物群落的生態位,因此對Bt抗蟲水稻開展系統全面的環境安全性評價很有必要[67]。同時,如果二化螟連續多代取食表達Bt蛋白的轉基因水稻,其也可能會對該轉基因水稻產生抗性,進而造成抗蟲能力下降[68]。因此,在培育抗螟蟲轉基因水稻時,也需要評價其對靶標生物的敏感性基線和抗性風險,并制定抗性監測方案和治理措施等。

近年來,利用反向遺傳學的手段發現了一些新的抗二化螟基因,并獲得了新型轉基因抗蟲水稻。通過研究二化螟取食后水稻的基因功能,發現在水稻中過表達乙烯信號轉導基因OsERF3、絲裂原活化蛋白激酶基因OsMPK4、轉錄因子WRKY70等增強了水稻的茉莉酸、水楊酸及胰蛋白酶抑制劑等防御通路,進而顯著提高了水稻對二化螟的抗性[69-71]。將二化螟脂肪酰基還原酶基因FAR的dsRNA轉入水稻中,在室內和田間均表現出對二化螟較好的抗性[72]。水稻中表達二化螟的miR-15顯著延緩了二化螟的發育歷期[73],類似地,轉二化螟miR-14、Csu-novel-260等miRNA的水稻對二化螟也具有較強的抗性[74-75]。隨著更多水稻或二化螟的功能基因的解析,將會出現更多的新型抗螟蟲轉基因水稻。

4 螟蟲生理生化與毒理學研究及新型殺螟藥劑研發

4.1 二化螟基因組及功能基因

隨著組學技術的快速發展,二化螟基因組數據庫ChiloDB得以構建[76],而后完成了二化螟染色體水平基因組組裝[77]。另外,獲得了二化螟神經系統[78]、觸角[79]、中腸[80]和信息素分泌腺[81]等,及二化螟被寄生[5]、高溫脅迫[82]和農藥處理[33,83]后的轉錄組信息,為二化螟功能基因的研究奠定了基礎。基于組學數據,二化螟的P450[84]、幾丁質酶[85]、UDP葡萄糖基轉移酶[22]、ABC轉運蛋白[20]、谷胱甘肽S-轉移酶[31]和表皮蛋白[86]等基因家族被鑒定,這些為各基因家族的功能解析提供了數據支撐。

4.2 二化螟神經生物胺受體

生物胺,如章魚胺(octopamine,OA)、酪胺(tyramine,TA)、多巴胺(dopamine,DA)和5-羥色胺(serotonin)等,是化學突觸傳遞中的神經遞質,通過特異性地結合相關的生物胺受體,調控不同的生理與行為過程。通過構建二化螟不同生物胺受體的表達載體,將其在真核細胞系(HEK-293或CHO-K1)中穩定異源表達,解析了其藥理學性質,包括章魚胺受體CsOA1[87]、CsOA2B2[88]和CsOA3[89],酪胺受體CsTA1[90]和CsTA2[91],多巴胺受體CsDOP1、CsDOP2和CsDOP3[92]、CsOA2B2和CsDOP1偶聯Gs蛋白引起胞內cAMP含量的上升[88,92];而CsOA3、CsTA1和CsDOP3偶聯Gi蛋白導致cAMP下降[89-90,92];CsTA2偶聯Gq蛋白引起胞內Ca2+濃度上升[91];CsOA1和CsDOP2同時偶聯Gq和Gs蛋白導致胞內Ca2+和cAMP均上升[87,92]。二化螟生物胺受體不僅在神經行為調控中發揮關鍵作用,如CsOA2B2調控運動行為[88],而且還可能參與了免疫反應。發現CsOA1、CsTA2和CsDOP1在二化螟的血細胞中有表達[90-91,93],CsOA1可能參與調控血細胞的延展和吞噬[87],CsTA2調控血細胞的延展[91],而CsDOP1調控血細胞的吞噬[93]。

4.3 二化螟離子通道

昆蟲離子通道是細胞膜上的一種成孔蛋白,主要有配體門控通道和電壓門控通道兩大類,配體門控通道主要有乙酰膽堿受體、谷氨酸門控離子通道和γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid, GABA)受體等,電壓門控通道主要包括鈣離子通道、鉀離子通道和鈉離子通道等。Xu等在二化螟中鑒定到了12個煙堿型乙酰膽堿受體(nicotinic acetylcholine receptor,nAChR),其中9個α型、3個β型,并通過定量PCR研究了其在不同組織和不同發育階段的表達譜[94]。Meng等在二化螟中克隆和分析了谷氨酸門控氯離子通道(glutamate-gated chloride channel,GluCl)基因的3個亞型(CsGluCl-A、CsGluCl-B和CsGluCl-C),干擾CsGluCl會導致二化螟幼蟲對阿維菌素(abamectin)的敏感性增強,以及減緩幼蟲生長和降低羽化率[95]。Sheng等研究了二化螟GABA受體基因的2個亞型CsRDL1(resistant to dieldrin)和CsRDL2,通過將其在非洲爪蟾Xenopuslaevis卵母細胞中表達,發現第二個跨膜區的2′位置的絲氨酸能影響RDL對地特靈(dieldrin)的敏感性,但不會改變對氟雷拉納(fluralaner)和氟蟲腈(fipronil)的敏感性[96];Meng等通過RNAi技術干擾CsRDL1和CsRDL2的表達,發現能顯著降低二化螟幼蟲對阿維菌素的敏感性[97]。Jia等鑒定到另外2種GABA受體基因的亞型CsLCCH3和Cs8916[98]。Huang等發現Cs8916可與CsLCCH3相互作用激活對多種殺蟲劑敏感的陽離子選擇通道[99]。Peng等克隆了二化螟鈣離子通道蛋白魚尼丁受體基因,發現了新的可變剪接位點,且注射氯蟲苯甲酰胺(chlorantraniliprole)能顯著刺激幼蟲的RyR表達[100]。Meng等克隆了5個鉀離子通道基因(CsKir1、CsKir2A、CsKir2B、CsKir3A和CsKir3B),干擾CsKir2B顯著減緩二化螟幼蟲的生長發育、提高其死亡率,而干擾CsKir2A沒有明顯的效應[101]。

4.4 二化螟神經肽及受體

在昆蟲中,神經肽可以通過特異地結合相應的神經肽受體調控各種生理與行為過程。Xu等[102]在二化螟中鑒定到了43個神經肽基因,并發現allatostatin CC,CCHamide 1和short neuropeptide F存在可變剪接體;同時,還鑒定到51個神經肽受體基因,明確這些神經肽信號通路基因在二化螟的中樞神經系統、脂肪體、腸道和血細胞中均有表達,其中大部分在中樞神經系統特異高表達。

4.5 二化螟的基因編輯

2013年首次采用基因編輯技術CRISPR/Cas9在真核細胞中成功實現了基因編輯[103],2019年,Dong等首次在二化螟中通過CRISPR/Cas9成功構建了信息素結合蛋白基因CsPBP1和CsPBP3的敲除突變體,觸角電位反應表明CsPBP1的純合突變體對性信息素的電生理反應比CsPBP3降低得更加顯著[104]。Sun等借助CRISPR/Cas9技術,把sgRNA/Cas9蛋白注射到二化螟新產的卵中,靶向敲除了Csebony基因,導致幼蟲、蛹以及成蟲黑色素沉積[105]。Sun等利用sgRNAs/Cas9技術敲除了脂肪酰輔酶A還原酶CsFAR,并導致二化螟的死亡率顯著上升[72]。Zeng等通過CRISPR/Cas9敲除了幾丁質合成酶基因CsCHS1和CsCHS2,其中CsCHS1的敲除顯著降低了二化螟的卵孵化率、幼蟲存活率、化蛹率和羽化率,而CsCHS2的敲除只降低了幼蟲存活率[106]。這些研究表明,CRISPR/Cas9技術能在二化螟中成功應用,可為二化螟的功能基因組學研究提供有效的遺傳學工具。

4.6 殺螟新藥劑環丙氟蟲胺研發

環丙氟蟲胺(cyproflanilide)是泰禾國際公司近年來研發的新型殺蟲劑,其作用機制新穎,殺蟲譜廣,尤其對水稻二化螟具有優異的防效,且與現有防治二化螟的藥劑無交互抗性,可以有效解決抗性區域二化螟無藥可治的痛點,未來可能在二化螟化學防控中扮演重要角色,其具體的作用靶標和靶點還有待進一步解析[107-108]。

5 螟蟲寄生蜂資源及其利用

5.1 寄生蜂資源概況

據統計,水稻鉆蛀性螟蟲有302種寄生性天敵,這些天敵主要屬于繭蜂科、姬蜂科和赤眼蜂科等,其寄生時期跨越稻螟蟲的各個發育階段[109-110]。其中二化螟天敵資源較為豐富,包括寄生性天敵2目10科55種,含寄生蜂1目8科49種;捕食性天敵2綱4目9科23種。近年來,水稻螟蟲天敵資源的調查主要集中于寄生性天敵,對于捕食性天敵的調查較為缺乏。同時,對稻螟蟲的天敵利用也主要采用寄生蜂,尤其是赤眼蜂科的松毛蟲赤眼蜂Trichogrammadendrolimi、螟黃赤眼蜂T.chilonis和稻螟赤眼蜂T.japonicum,防治對象以二化螟為主[111-113]。對水稻螟蟲天敵的種類、發生動態及規律的調查研究是分析天敵控害潛能和挖掘優質天敵資源的基礎[114]。在稻螟蟲天敵的田間調查中,寄生蜂的種類及其寄生率是研究的重點。其中,越冬代螟蟲的寄生情況關系到來年種群基數,因此受到更多關注[115]。二化螟越冬代幼蟲寄生蜂的調查最為常見[116-119]。相比于二化螟,其他水稻螟蟲的寄生蜂種類和調查研究都相對較少[114,120]。稻螟蟲的捕食性天敵調查比較缺乏。浙江金華稻田中,鑒定到的二化螟天敵分屬5目22科,共38種,捕食性天敵主要有錐腹肖蛸Tetragnathamaxillosa和食蟲瘤胸蛛Oedothoraxinsecticeps;溫嶺稻田中,二化螟天敵則分屬3目10科,共14種,少于金華稻田,主要捕食性天敵除了食蟲瘤胸蛛,還有駝背額角蛛Gnathonariumgibberum和三突花蛛Misumenopstricuspidatus[121]。可見,近十年來,對稻螟蟲天敵的田間調查,主要集中于二化螟越冬幼蟲的寄生率和寄生蜂種類,對其他稻螟蟲的天敵尤其是捕食性天敵的調查明顯不足。同時,田間調查的結果展示了不同地域稻螟蟲天敵種群的多樣性,為挖掘適宜當地生態條件的寄生蜂資源提供了寶貴的數據支持。

5.2 寄生蜂資源利用

5.2.1蜂種篩選

選擇合適的蜂種和品系是成功利用寄生蜂進行稻螟防治的關鍵。在種群篩選的過程中,寄生蜂的寄主選擇特性、寄生能力和環境適應性等是重要的評價指標。寄主選擇特性的研究包括寄生蜂對揮發物的識別[122]、對寄主種類[123]和日齡的偏好[124]等。Liu等研究發現,雖然二化螟幼蟲為害或成蟲產卵均可誘導水稻釋放大量揮發物以吸引稻螟赤眼蜂,但是當褐飛虱Nilaparvatalugens加入為害同一株水稻時,水稻揮發物的組分及含量也發生了改變,顯著降低了對稻螟赤眼蜂的吸引作用,二化螟卵的寄生率也顯著下降。該研究不僅拓展和深化了“生態位分異理論”的內涵,更為在復雜田間生態環境中利用寄生蜂防治靶標害蟲提供了新的視角[122]。寄生蜂的寄生能力,尤其是在高溫逆境下的寄生能力,是影響其稻田寄生效果的重要生物學特征[125-126]。田俊策等對稻螟赤眼蜂南北種群的高溫適應性進行了評估,結果顯示,高溫(32、36℃)條件下,南方種群對中間寄主米蛾Corcyracephalonica卵的寄生力顯著高于北方種群。因此,認為南方種群相比于北方種群,更適用于南方稻區的害蟲防治[127]。Guo 等評價了湄公河次區域中3個螟黃赤眼蜂品系和2個玉米螟赤眼蜂Trichogrammaostriniae品系,結果顯示,后者在該區域內高溫條件下無法順利完成生長發育,因此,3個螟黃赤眼蜂品系是當地更好的生防蜂種[128]。

5.2.2蜂種儲藏

貨架期短是影響寄生蜂田間應用的重要問題,延長貨架期是蜂種儲藏技術研究的重點。近年來,我國科研工作者主要通過低溫儲藏和滯育誘導等方式,探索了不同稻螟蟲寄生蜂的最佳儲藏條件,以延長其貨架期[129]。低溫儲藏是解決二化螟盤絨繭蜂Cotesiachilonis貨架期的主要手段[130]。研究表明,二化螟盤絨繭蜂幼蟲[131-132]、蛹[133]和成蟲[130]均可適當冷藏以延長貨架期,但都有一定時長限制,否則會對該蜂羽化率等生理指標產生負面影響。二化螟盤絨繭蜂蜂繭經過適當冷藏后,羽化的成蜂耐高溫能力有一定程度的提高[133]。另外,稻螟赤眼蜂[134-136]、螟黃赤眼蜂[137]和松毛蟲赤眼蜂[137-138]等都可通過冷藏的方法延長貨架期。上述寄生蜂冷藏時長有所差異,但一般不超過30 d。利用滯育的特性可成功延長赤眼蜂的保存時間[129,139]。滯育的誘導受多種因素影響[129,138-139]。時亞東等研究了光周期、誘導始期、誘導溫度和誘導歷期等對稻螟赤眼蜂滯育的影響,并得到誘導滯育率超過95%的條件: 光周期L∥D=8 h∥16 h下繁育的赤眼蜂種群,寄生后12 h,在13℃下誘導28 d 或35 d,或者寄生后發育 24 h,在10℃或13℃下誘導35 d[129]。該研究填補了以米蛾卵為寄主的稻螟赤眼蜂滯育誘導研究之空白。研究表明,不同赤眼蜂種類、地理種群或品系的赤眼蜂的滯育特征可能存在很大不同,因此在進行赤眼蜂滯育誘導時,要充分考慮不同因素的影響,以得到最佳誘導條件[129,139]。

5.2.3放蜂及其效果評價

傳統的赤眼蜂應用主要依靠淹沒式釋放,以人工在田間懸掛蜂卡等方式進行,效率低下,成本漸漲。近年來,植保無人飛機快速推廣應用,利用其投放赤眼蜂球防治水稻螟蟲,具有防治面積大、釋放效率高和成本低等顯著優勢,正受到越來越多的關注[140]。湖南省永州市零陵區的植保無人飛機放蜂結果表明,稻螟赤眼蜂和螟黃赤眼蜂釋放區二化螟的防效分別達83.22%和80.05%[140]。遼寧鐵嶺市昌圖縣兩家子農場開展無人飛機同時釋放赤眼蜂的結果表明,無人飛機釋放稻螟赤眼蜂、松毛蟲赤眼蜂和螟黃赤眼蜂對水稻二化螟的防效為73.52%,具有顯著的經濟效益和生態效益[141]。

田間放蜂效果評價是衡量寄生蜂實際應用最重要和最終的指標,主要以檢測水稻螟蟲的寄生率和水稻受害情況為主,進而計算防治效果。此標準下,科研人員在不同區域、采用不同方法進行了大量的稻螟寄生蜂田間釋放,并對效果進行了評價。釋放的寄生蜂以赤眼蜂為主,其中又以松毛蟲赤眼蜂、螟黃赤眼蜂和稻螟赤眼蜂最多。防治對象以二化螟為主[142-143]。Fan等在此基礎上,拓展了評價范圍,檢測了稻田螟甲腹繭蜂Chelonusmunakatae防治二化螟過程中,溫室氣體(一氧化二氮和甲烷)的排放量,認為其在可接受范圍內,進而得出結論,釋放該蜂是一種有效的且環境友好的生防手段[144]。

6 螟蟲生態調控技術

害蟲生態調控是基于“預防為主、生態優先、整合治理、精準施策”原則進行調節與控制,將害蟲控制在經濟閾值水平之下的策略[145]。誘集植物是指對目標害蟲引誘作用明顯高于主栽作物,從而保護主栽作物免受害蟲為害的植物,往往用來作為田間功能植物[146-147]。本節綜述了以誘集植物香根草合理布局為重要內容的水稻二化螟生態調控及綜合防控模式。

6.1 香根草對二化螟的誘殺作用機制

香根草Chrysopogonzizanioides是一種致死型誘集植物,能夠有效地誘集二化螟和稻蛀莖夜蛾的雌成蟲在其葉片上產卵,但孵化出的幼蟲在香根草上不能完成生活史。其主要原因是香根草可以釋放出吸引雌成蟲的揮發性物質,但香根草中的總蛋白、纖維素、總糖、氨基酸等含量不能滿足其幼蟲的營養需要[148]。幼蟲取食香根草后體內蛋白酶、淀粉酶、海藻糖酶和蔗糖酶等消化酶、細胞色素P450和羧酸酯酶CarE等解毒酶的活性顯著降低。此外,取食香根草顯著抑制了二化螟幼蟲體內P450解毒酶CYP6SN3和CYP306A1基因的表達,證實了這兩個基因的表達水平與香根草對二化螟幼蟲的致死作用密切相關[149]。

6.2 香根草田間布局對二化螟的生態控制

田埂上以一定空間布局種植香根草,引誘二化螟雌成蟲產卵并進行集中滅殺,對二化螟種群有較好的控制效果[150]。研究表明,香根草種植間隔3～5 m的稻田中二化螟數量顯著低于對照稻田,蟲口減退率76.2%～92.5%,在25 m 距離上香根草控制區的蟲口減退率也達到80%左右,平均蟲口減退率達到84.2%[151]。田埂留草、布局顯花植物提高稻田生態系統生物多樣性和涵養天敵。調查顯示,香根草種植區水稻螟蟲卵寄生蜂黑卵蜂和赤眼蜂及其他寄生蜂數量顯著高于對照區。其中黑卵蜂主要有大螟黑卵蜂Telenomussesamtae和二化螟黑卵蜂T.chilocolus,赤眼蜂主要包括稻螟赤眼蜂和螟黃赤眼蜂,其他寄生蜂為印嚙小蜂Aceratoneuromyiaindica、弄蝶絨繭蜂Apantelesbaoris和螟黃足絨繭蜂A.flavipes等。香根草種植區二化螟天敵寄生蜂黑卵蜂、赤眼蜂及其他寄生蜂的數量分別較對照田提高了2.8、1.7倍和0.8倍[152]。

6.3 以香根草合理布局為基礎的二化螟綜合防控措施

水稻收割時,提倡低茬收割或收后粉碎稻樁,減少越冬蟲源。翌年小麥、油菜收獲前在田塊四周布置性誘劑或特定波長誘蟲燈以大量誘殺越冬代二化螟成蟲。在冬閑田,在越冬代化蛹高峰期進行翻耕和灌水滅蛹,可顯著減少二化螟發生基數。也可利用性干擾劑干擾越冬代二化螟成蟲交配,減少下代蟲量。通過田埂留草、布局顯花植物等措施提高稻田生態系統生物多樣性涵養天敵;種植誘蟲植物香根草引誘二化螟產卵。運用成蟲行為調控產品(性誘劑、食誘劑或特定波長LED燈)于二化螟發生高峰期對成蟲進行誘殺。二化螟大暴發時期,在抗藥性監測的基礎上用效果較好的化學藥劑防治二化螟幼蟲。

以香根草合理布局為重要內容,配合灌水滅蛹、殺蟲燈誘殺、性誘劑等二化螟生態調控及綜合防控模式,能有效提高稻田生態系統的自然控制能力,可減少化學農藥的使用1～2次,降低殺蟲劑使用量30%以上,從而改善和平衡生態環境,生態、經濟和社會效益顯著。

7 展望

隨著全球氣候變化問題日趨突出,溫室效應導致的全球變暖將成為氣候變化的主旋律,全球氣溫仍將持續升高。為適應主糧生產及市場需求,我國水稻種植結構及主栽品種仍將持續進行深度調整與優化,這極有可能會造成水稻連作、混栽面積不斷擴大,復種、套種等立體化種植模式不斷發展。水稻螟蟲對現有化學殺蟲劑的高度抗性在短期內難以逆轉,新型殺螟化學殺蟲劑的研發愈發困難,研發周期也不斷加長,可替代新型殺螟藥劑短期內難以大批量出現。短期內,有效的抗螟水稻種質資源仍難以挖掘,新型抗螟水稻品種難以創制,經遺傳改良的抗螟水稻難以商業化推廣利用。依托螟蟲天敵的生物防治手段,以及生態調控與理化誘控手段的穩定性與有效性仍有待進一步加強。上述這些因素仍可能會導致在未來一段時間內,水稻螟蟲在我國持續偏重暴發,特別是在長江流域及其以南稻區,其發生規律與趨勢難以顯著改變。這也意味著我國對水稻螟害的綠色可持續控制任務仍十分繁重,但同時也意味著其發展與提升空間依然十分巨大。這就要求我們必須根據各水稻主產區的栽培與管理模式,以及水稻螟蟲實際發生規律及其演變趨勢,進一步做好水稻螟蟲綠色防控與可持續治理的相關工作,采取相應的措施與手段。如,加強水稻螟蟲預測預報,熟悉掌握其發生變化規律與趨勢;完善水稻種植與栽培管理措施,有效評價主栽水稻品種的抗螟性,挖掘新的水稻相關抗螟基因,如5-羥色胺合成基因等[153],并利用基因編輯技術創制新型抗螟水稻;加強水稻田間管理,進一步做好減肥減藥,營造良好的稻田生態系統;科學使用化學殺蟲劑,做好水稻螟蟲應急防控,結合現代大數據組學、分子生物學、藥理毒理學等技術手段,篩選新型控害靶標,研發新型殺螟藥劑;充分利用生態及生物資源,有效發揮生物防治、生態調控及理化誘控在水稻螟蟲綠色防控中的積極作用。通過以上措施的綜合應用,我們將能更好地應對水稻螟蟲的挑戰,實現對其綠色防控的目標,促進水稻生產的可持續發展。