研究粮食作物虫害防治的新成果
（一）探索气候变暖加重粮食作物虫害的新信息
发现全球气候变暖或导致虫害增加而引起主粮减产[40]
2018年9月，国外媒体报道，美国华盛顿大学等机构有关专家组成的一个研究团队，近日在《科学》杂志发表研究报告称，他们通过模型预测发现，全球气候变暖会导致蝗虫、毛虫等害虫更加活跃，而这可能给世界粮食供应带来灾难性后果。
由于温室效应不断积累，导致地气系统吸收与发射的能量不平衡，能量不断在地气系统累积，从而让温度上升，造成全球气候变暖。目前，大多数科学家认为，全球气候变暖不仅危害自然生态系统的平衡，还将威胁人类的生存。而此次，该研究团队表示，温度升高会使昆虫繁殖和代谢加速，这极有可能导致小麦、玉米和水稻等世界主要粮食作物大幅减产。
研究人员把大量昆虫生理数据和气候模型相结合，开发出一种新的计算模型，从而可以研究昆虫数量与食欲增加会对全球作物造成何种影响。根据模型预测，全球平均气温每升高1℃，害虫导致的全球小麦、玉米和水稻产量损失将增加10%～25%。
该模型还显示，如果全球平均气温升高2℃，害虫导致的全球小麦、玉米和水稻产量损失将分别增加46%、31%和19%。而所受影响最为严重的，是美国玉米产区、法国小麦产区、中国水稻产区等处于温带的粮食产区。
研究人员表示，这一计算模型目前并未将全球变暖后昆虫的天然捕食者如何应对、昆虫饮食习惯如何改变、农业技术变化等因素考虑在内。尽管如此，气候变化可能对世界粮食供应造成的影响，仍不应被忽视，因为农作物减产，将会给广大贫困人口带来难以承受的巨大冲击。
（二）探索危害粮食作物蝗虫的生活习性及防治方法
1．研究粮食作物主要害虫蝗虫生活习性的新进展
⑴揭示蝗虫聚群成灾的奥秘。[41]2020年8月12日，中科院动物研究所康乐院士团队在《自然》杂志发表论文称，他们首次鉴定出一种由群居型飞蝗特异性挥发的化合物，被认为是导致飞蝗聚群的关键性群聚信息素，从而揭示了蝗虫聚群成灾的奥秘。
在人类历史上，蝗灾与旱灾、洪灾并称三大自然灾害，在全球造成了严重的农业和经济损失。尽管蝗灾与人类发展历史长期相伴，但是真正在科学上对蝗灾成因的认识不足百年。
该研究团队通过分析群居型和散居型飞蝗的体表和粪便挥发物，在35种化合物中鉴定到一种由群居型蝗虫特异性挥发的气味，释放量低但生物活性非常高的化合物——4-乙烯基苯甲醚（4VA）。通过一系列行为实验确定该化合物对群居型和散居型飞蝗的不同发育阶段和性别都有很强的吸引力，能够响应蝗虫种群密度的变化，随着种群密度增加而增加，甚至它的产生可由4～5只散居飞蝗聚集而触发，具有很低的诱发阈值。
研究人员在飞蝗触角上的四种主要感器类型中，发现了4VA特异引起锥形感器的反应，并确定了其特异性受体。当使用基因编辑技术敲除该嗅觉受体后，飞蝗突变体的触角与锥形感器神经电生理反应显著降低，响应行为和吸引力丧失。此外，研究人员将含有4VA的诱芯布置在田间，通过室外草地双选和诱捕实验证明4VA对实验室种群在户外具有很强的吸引力。进而，他们将诱芯直接布局到蝗虫野外发生区天津北大港，大范围的区块实验再一次证明该化合物不仅能吸引野外种群，而且不受自然环境中蝗虫背景密度的影响。
本研究首次从化学分析、行为验证、神经电生理记录、嗅觉受体鉴定、基因敲除和野外验证等多个层面，对飞蝗群居信息素进行了全面而充分的鉴定和验证，发现和确立了4VA是飞蝗群聚信息素，而过去报道已知的其他化合物都不具备群聚信息素的所有条件，本项研究范式把化学生态学的研究提高到一个新的阶段，被认为是昆虫学研究的一个重要突破。
长期以来，人们对于蝗灾的防治主要依赖化学杀虫剂大规模的喷施，而不合理的化学农药的使用对食品安全、生态系统和人类健康产生了巨大的负面影响。该研究不仅揭示了蝗虫群居的奥秘，而且将从多个方面改变人们控制蝗灾的理念和方法，使蝗虫的绿色和可持续防控成为可能。康乐说：“在蝗灾发生区设计诱集带，喷施4-乙烯基苯甲醚，这样蝗虫就都过来了，人们就可以不在大范围喷施药物，第一能节省农药，第二能保护环境，第三杀灭效果也比较好。”
⑵探索群居型与散居型飞蝗不同飞行方式的奥秘。[42]2022年1月4日，中国科学院动物研究所康乐院士团队，在美国《国家科学院学报》发表论文，解释了飞蝗“欲速则不达”的飞行奥秘，为动物的飞行适应策略研究提供了新视角。
蝗灾是我国历史上三大自然灾害之一。我国2000多年的历史记载显示，大规模的蝗灾发生过800多次。1平方公里的蝗群一天能吞掉3.5万人的口粮。蝗群掠过，植被皆无，往往引发严重经济损失，甚至导致粮食短缺而发生饥荒。
康乐说：“当蝗灾爆发时，大规模高密度的群居型飞蝗在一个世代内能够聚集飞行超过2000公里，单次最大飞行时间超过10小时。” 但是，当蝗虫密度很低时，零星的散居型飞蝗很少进行长距离迁飞，仅仅在求偶或躲避天敌时进行短距离的飞行。
同一种蝗虫，种群密度不同，飞行距离差异竟如此之大，它们如何根据密度调节飞行策略呢？在这项新成果中，康乐院士团队通过飞行行为分析发现，蝗虫生长时期的种群密度决定了它们成虫期的飞行特征，而这种特征的分化恰恰契合群居性和散居型的生活特点。
新成果打破了过去的一些惯性思维，发现低密度的散居型飞蝗不是不善飞行，而是飞行爆发力强、速度快，但是耐力性不够，呈现出类似“短跑型”运动员的飞行特征。相反，高密度的群居型飞蝗，起飞速度并不快，而是以较低的速度进行长时间的持续飞行，呈现出类似“长跑型”运动员的飞行特征。
在高种群密度下，“长跑型”的飞行特征，有利于群居型飞蝗进行长时间和长距离飞行，有利于保持巨大的迁飞群，以寻找充足的食物和合适的产卵地。而零散的散居型飞蝗“短跑型”的飞行特征，则有利于飞蝗寻找配偶和快速躲避天敌的捕食，因为它们都是要留居当地繁殖，没有迁飞的需求。当种群密度增加时，飞蝗又可以改变飞行特征来适应迁飞的需要。
他们发现，蝗虫飞行肌中的能量代谢过程的差异，是群居型和散居型飞蝗飞行特征和能力分化的主要原因。
⑶揭示决定飞蝗后代数量变化的调控机制。[43]2022年4月26日，中国科学院康乐、何静与复旦大学魏园园等生物学专家组成的一个研究小组，在《细胞通讯》杂志上发表研究成果，揭示了飞蝗适应种群密度变化而导致后代数量改变的分子机制。
自然界很多动物都会根据环境的变化来调节繁殖对策，产生不同数量的后代。动物种群的内在因素在调节繁殖对策方面也发挥着重要作用，比如种群密度、性比、亲缘关系和个体竞争强弱等都会影响所繁殖的后代数量。而后代的多少与种群的维持及动态密切相关，同时也是动物适应性的重要标志。人们对这种自然现象有所了解，但是对动物如何自主调控生殖策略的分子机制并不知晓。
飞蝗是研究密度依赖生殖策略的理想模型。根据种群密度不同，飞蝗存在群居型和散居型两种生态型。群、散飞蝗尽管基因型完全相同，但是它们采取的生殖策略有显著差异，即高密度的群居型飞蝗生殖力较低，以便将能量投入到长距离迁飞来寻找新的栖息地。而低密度散居型飞蝗采取较高的生殖力以产下更多的后代个体，来维系种群稳定性。两型飞蝗之间可以根据密度的变化相互转变，生殖对策也随之发生转换，进而导致产卵量发生变化。飞蝗这种适应种群密度变化而导致后代数量改变的机制是一个非常有挑战性的问题。
2．研究杀灭粮食作物主要害虫蝗虫方法的新进展
研制出蝗虫克星真菌孢子生物杀虫剂。[44]2009年7月30日，有关媒体报道，世界粮农组织最近在坦桑尼亚的试验表明，通过大规模使用一种由真菌孢子制成的名为绿肉素（GreenMuscle）的生物杀虫剂，可以使东南部非洲的农作物免受蝗灾危害。
成群的蝗虫会损毁农作物。根据世界粮农组织的统计，1吨蝗虫一天吃掉的粮食相当于2500人一天的口粮。该组织一直担心，红蝗虫的侵扰会在非洲演变成大规模的灾害，从而使上百万人的粮食安全面临威胁。
绿肉素由悬浮在矿物油中的绿僵菌真菌孢子组成，这种真菌可以在蝗虫体内生长，产生毒素，削弱其活力，从而使其成为鸟类和蜥蜴易于捕获的食物。大多数受真菌感染的蝗虫会在1周至3周内死亡，死亡速度因温度和湿度条件不同而略有差异，总的致死率为80%左右。与化学杀虫剂不同，绿肉素只杀死蝗虫和蚱蜢，对鸟类和蜥蜴等不会产生副作用。
从2009年5月21日起，世界粮农组织与中南部非洲蝗虫控制组织共同发起，在坦桑尼亚对1万公顷的农作物喷洒了绿肉素，结果表明可以控制蝗灾暴发。这是绿肉素首次大规模使用。在接下来的几个月中，他们将斥资200万美元，继续在坦桑尼亚、马拉维、莫桑比克进行绿肉素喷洒行动。
专家指出，由于从喷洒到蝗虫死亡需要一段时间，绿肉素更适于预防蝗灾。
（二）探索粮食作物虫害防治的其他新信息
1．研究水稻虫害防治的新进展
应用图位克隆法分离得到首例水稻抗虫基因。[45]2009年12月，武汉大学生命科学学院何光存教授实验室与国内同行共同组成的研究小组，在美国《国家科学院学报》上发表论文称，他们经过14年的研究，近日在水稻抗褐飞虱基因克隆和抗虫分子机理方面取得重大突破，成功分离出抗褐飞虱基因Bph14，这是国际上应用图位克隆法分离得到的第一例水稻抗虫基因。
一直以来，人们对水稻如何能抗虫感到困惑不解，该项研究结果揭示了这一机制。水稻抗褐飞虱基因Bph14就像一个“哨兵”，当褐飞虱危害水稻时，该基因就可感知到这一信号，并将信号传达到细胞核，调动其他基因的抗虫机制，抑制害虫的取食和消化，使害虫的生长发育受阻，害虫死亡率上升，从而使水稻免受危害。
据了解，稻飞虱是水稻生产中最重要的虫害之一，近年来我国水稻的稻飞虱发生面积达几亿亩。科学家们期望通过提高水稻品种抗性防治稻飞虱。20世纪60年代以来，全世界科学家从水稻农家品种和野生稻转育材料中，鉴定出20多个抗褐飞虱基因位点，但是一直没有克隆到这些基因，水稻抗虫性的分子机理也不甚明了。
这项新成果，成功克隆到水稻抗褐飞虱基因Bph14，它将促进水稻抗稻飞虱育种研究快速发展，从而为少打农药、减少粮食损失，发展环境友好型和资源节约型农业做出重要贡献。
2．研究玉米虫害防治的新进展
⑴发现可杀灭玉米根虫的新蛋白。[46]2016年9月22日，美国杜邦先锋公司研究主管刘璐负责的一个研究小组，在《科学》杂志发表的一项新研究显示，从土壤微生物中发现的一种蛋白，可有效杀灭玉米主要害虫之一：西方玉米根虫。这为研制取代Bt杀虫剂的抗玉米根虫新农药，铺平道路。
Bt杀虫剂，是目前世界上应用最为广泛的微生物杀虫剂，其中含有Bt蛋白，这种蛋白能够杀虫，但对人类却没有毒性，因此也广泛应用于转基因作物。但研究人员近年来发现，一些害虫已发展出对Bt蛋白的抗性，寻找新型微生物杀虫剂势在必行。
刘璐说，他们从抗西方玉米根虫土壤中分离出微生物，然后从一种叫假单胞菌的细菌中发现一种蛋白，并命名为IPD072Aa，实验显示对玉米根虫有杀虫效果。
⑵推出用于玉米害虫防治的3D打印无人机。[47]2017年4月，国外媒体报道，意大利索莱昂无人机公司，一直在用3D打印来减少无人机组件的重量，提高其效率。该公司的最新产品之一“阿格罗”，是一款用于玉米害虫防治的无人机，它有一个激光烧结的聚酰胺身体。
“阿格罗”虽然可以用在多种农业环境中，但实际上它有一个特定的目标：防治玉米螟虫，这种害虫每年都会毁掉大量的农作物。但与其他害虫防治方案不同的是，“阿格罗”喷洒的不是化学药品，而是赤眼蜂的卵，赤眼蜂是一种喜食玉米螟虫的黄蜂。通过均匀而高效地喷洒这些黄蜂的卵，3D打印“阿格罗”无人机绝对是一个非常有用的农业工具，它本身看起来甚至就像一只黄蜂!
“阿格罗”的身体和零件，是用一台激光烧结3D打印机来打印的，打印材料为聚酰胺和填充有玻璃颗粒的聚酰胺。聚酰胺耐用而轻便，填充有玻璃颗粒的聚酰胺则更坚硬，更不易受振动影响。因此，填充有玻璃颗粒的聚酰胺被用来打印靠近电机的部件。
索莱昂公司经理解释说：“3D打印的最大优势在于，我们可以很快地创造出各种复杂的系统，即使数量不多。通常这些零件会在一个星期内打印好并发送给我们。作为一家小公司，这能让我们对客户想法的改变和愿望快速做出反应。我们已经成功让‘阿格罗’成为市场上最具成本效益和性能最佳的产品。”
3．研究大豆虫害防治的新进展
揭开胞囊线虫入侵大豆植株的作用机制。[48]2017年2月，国外媒体报道，美国密苏里大学植物科学部戈尔纳·米丘姆副教授负责的研究团队，对危害农作物的胞囊线虫展开研究，发现它入侵大豆植株并从中吸走营养元素的作用机制。肉眼不可见的胞囊线虫对农业来说是一个重大威胁，可导致全球作物每年损失达数十亿美元。
了解了植物与胞囊线虫之间相互作用的分子基础，可能有助于发展出控制这些农业主要害虫的新策略，并养活不断增长的全球人口。根据美国农业部的数据，大豆是世界上2/3动物饲料的主要组成部分，同时也是美国消费的超过一半的食用油原料。可以说，胞囊线虫通过“劫持”大豆生物机能，危害了全球这一重要食物源的健康生产。
米丘姆说：“胞囊线虫是世界范围内，最具经济毁灭性的植物寄生线虫群体之一。这些线虫，通过在寄主的根部创造一个独特的取食细胞，吸血鬼般地从大豆植株上吸取养分，来破坏它的根系统。”这会导致作物发育迟缓、萎蔫，以至于出现产量损失。研究人员希望探索出胞囊线虫“霸占”大豆植株的途径和机制，并阻止其作用。
大约15年前，米丘姆和同事解开了线虫利用小氨基酸链或肽链，来从大豆根部取食的线索。现在，运用过去不曾有的新一代测序技术，米丘姆实验室的研究人员迈克尔·加德纳和王建英有了一个了不起的新发现。
这个发现就是，线虫具有产生第二类肽的能力，它可有效“接管”植物干细胞。正是植物干细胞创造了遍及植物全身以运输营养物质的管径。研究人员对比了这些肽类和植物产生的肽类，发现它们是同样的，被称为CLE-B肽。
研究人员说，植物向它的干细胞发出这些化学信号，便开始生长各种功能，包括植物用来运输营养物质的管径。高级测序表明，线虫使用相同的肽类来激活相同的过程。这种“分子模拟”有助于线虫制造取食网，从那里就可以吸取植物营养物质了。
为了验证他们的理论，米丘姆实验室的博士后郭晓丽合成了CLE-B线虫肽，将其应用到常被当作模式植物的拟南芥的血管细胞中。研究人员发现，线虫肽在拟南芥中的生长反应与植物自身的肽影响其发展的方式相似。接下来，研究人员“敲掉”拟南芥中用以向自身干细胞发出信号的基因。这时线虫表现不佳，因为不能向植物发信号，线虫的取食网被破坏了。
米丘姆表示，当线虫攻击植株根部时，它选择沿根的血管干细胞。通过切掉这条途径，减少了线虫用来操控植物的取食网的规模。这是第一次证明线虫调节、控制着植物管径。明确植物寄生线虫如何为自己的利益操控宿主植物，是帮助人们培育抗虫植物的关键一步。
