生物信息流操縱：作物病蟲害導(dǎo)向性防控的新科學(xué)*

錢 韋 曲 靜 康 樂,3**

1 中國(guó)科學(xué)院微生物研究所 北京 100101

2 中國(guó)科學(xué)院北京生命科學(xué)研究院 北京 100101

3 中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所 北京 100101

生物信息流操縱：作物病蟲害導(dǎo)向性防控的新科學(xué)*

錢 韋1曲 靜2康 樂2,3**

1 中國(guó)科學(xué)院微生物研究所 北京 100101

2 中國(guó)科學(xué)院北京生命科學(xué)研究院 北京 100101

3 中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所 北京 100101

作物病蟲害是威脅全世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重大自然災(zāi)害。目前，病蟲害防治的核心思想仍然是簡(jiǎn)單殺滅，主要依靠以病蟲微生物的基礎(chǔ)代謝、生理生化系統(tǒng)和神經(jīng)受體為靶標(biāo)的化學(xué)農(nóng)藥，過程中易導(dǎo)致人畜中毒、農(nóng)產(chǎn)品污染和生態(tài)環(huán)境破壞等一系列嚴(yán)重的問題。下一代病蟲害防治學(xué)術(shù)思想的重大突破將是對(duì)作物—昆蟲—病原微生物生物間信息流及行為進(jìn)行操縱。在基礎(chǔ)研究方面，“生物間信息的識(shí)別、解碼與操縱”也是現(xiàn)代生命科學(xué)的前沿與熱點(diǎn)學(xué)科——生物間相互作用的分子機(jī)理一旦被闡明，往往帶動(dòng)通用生物技術(shù)的發(fā)展突破。例如 RNA 干擾（RNAi）現(xiàn)象、植物轉(zhuǎn)化技術(shù)和 TALEN 基因組編輯技術(shù)等科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)進(jìn)步，已經(jīng)為整個(gè)生命科學(xué)領(lǐng)域作出了重大貢獻(xiàn)。中科院“作物病蟲害的導(dǎo)向性防控——生物間信息流與行為操縱”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）集合了各學(xué)科的優(yōu)勢(shì)力量，系統(tǒng)地分析在作物重大病蟲害發(fā)生過程中種間信息識(shí)別、解碼、傳遞和控制的過程，從中解析關(guān)鍵可操縱節(jié)點(diǎn)，發(fā)展新一代病蟲害田間行為操縱的新策略與新技術(shù)。該專項(xiàng)目前已經(jīng)取得了系列重大研究成果，為競(jìng)爭(zhēng)國(guó)際科學(xué)前沿地位、保障我國(guó)糧食生產(chǎn)安全作出了基礎(chǔ)性、前瞻性的貢獻(xiàn)。

作物，病蟲害，生物互作，防控

DOI10.16418/j.issn.1000-3045.2017.08.001

編者按由病蟲害導(dǎo)致的作物重大病害不但威脅“舌尖上的安全”與社會(huì)穩(wěn)定，在防治過程中發(fā)生的農(nóng)藥濫用行為還進(jìn)一步導(dǎo)致環(huán)境污染，危害人體健康。為在保障糧食產(chǎn)量不下降的前提下對(duì)病蟲害進(jìn)行科學(xué)、綠色和高效的防控，亟待在系統(tǒng)分析病原微生物—害蟲—作物之間的相互作用關(guān)系的基礎(chǔ)上，靶向病蟲害致病和成災(zāi)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，發(fā)展創(chuàng)新抗病育種技術(shù)、新型農(nóng)藥、微生物組技術(shù)、生態(tài)自殺、昆蟲性別控制等革命性的農(nóng)業(yè)生物技術(shù)，為保障國(guó)家糧食與食品安全作出重要貢獻(xiàn)。本刊特推出“作物病蟲害的導(dǎo)向性防控”專題，對(duì)病蟲害—作物相互關(guān)系的相關(guān)基礎(chǔ)研究以及由此引發(fā)的先進(jìn)生物技術(shù)進(jìn)行分析，并提出該領(lǐng)域前沿與應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的前瞻性建議。本專題由中科院動(dòng)物所康樂院士、中科院上海植物生理生態(tài)所陳曉亞院士和中科院微生物所方榮祥院士共同指導(dǎo)推進(jìn)。

中國(guó)是當(dāng)今世界排名第一的人口大國(guó)和農(nóng)業(yè)大國(guó)。1994 年萊斯特 ·布朗（Lester Brown）[1]提出關(guān)于“誰來養(yǎng)活中國(guó)”這個(gè)問題之后，該問題一直是全世界密切關(guān)注的焦點(diǎn)。糧食供應(yīng)是決定世界各國(guó)戰(zhàn)略發(fā)展的最重要保障，為了確保我國(guó)的糧食安全，《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020 年）》把“農(nóng)業(yè)科技整體實(shí)力進(jìn)入世界前列，促進(jìn)農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力的提高，有效保障國(guó)家食物安全”確立為我國(guó)科技發(fā)展總體目標(biāo)之一。雖然國(guó)際上也認(rèn)為中國(guó)是未來世界糧食增產(chǎn)的主要區(qū)域之一（圖 1A 紅色部分）[2]，但是對(duì)比中國(guó)主糧作物主要病蟲害危害分布圖（圖 1B）可以看出，該區(qū)域與國(guó)際預(yù)測(cè)的增產(chǎn)區(qū)幾乎完全重疊。這預(yù)示著我國(guó)糧食增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)存在著很大的風(fēng)險(xiǎn)，受到作物病蟲害發(fā)生規(guī)模、頻率的嚴(yán)重制約。而從歷史上看，作物病蟲害從來都是威脅我國(guó)乃至全世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重大自然災(zāi)害，也是導(dǎo)致人類社會(huì)動(dòng)蕩和人口劇減的主要原因之一。

現(xiàn)階段我國(guó)作物病蟲害發(fā)生防治形式相當(dāng)嚴(yán)峻，總體而言呈現(xiàn)以下 3 個(gè)特點(diǎn)。

（1）產(chǎn)量損失特別巨大。即使在全力防控的背景下，全國(guó)因病蟲害造成的產(chǎn)量損失仍高達(dá)每年 4 000 萬—6 000 萬噸，占總產(chǎn)量的 8%—10%，足夠 1.5 億—2.0 億人一年的口糧。隨著氣候變化、輕型栽培技術(shù)使用和單一遺傳背景品種的推廣，以往零星出現(xiàn)的作物病蟲害（如水稻紋枯病、矮縮病、棉花黃萎病、小麥赤霉病、玉米粘蟲等）連年暴發(fā)成災(zāi)，防治形勢(shì)逐年加重。

（2）環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)峻。在全世界生產(chǎn)使用的農(nóng)藥中，我國(guó)的使用量約占 1/3，排名全球第一。濫用農(nóng)藥和農(nóng)藥殘留對(duì)公共衛(wèi)生、自然環(huán)境、內(nèi)外貿(mào)易和社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成了極其嚴(yán)重的影響，食品安全已成為全社會(huì)密切關(guān)注的重大民生問題。

（3）缺乏核心技術(shù)創(chuàng)新能力。當(dāng)前絕大多數(shù)病蟲害防治的策略和技術(shù)均由國(guó)外先進(jìn)國(guó)家提出并發(fā)展成熟，我國(guó)總體上處理低水平模仿仿制階段。例如，美國(guó)現(xiàn)代農(nóng)藥的年產(chǎn)值已經(jīng)達(dá)到 96 億美元。我國(guó)雖然是農(nóng)藥使用大國(guó)，但年產(chǎn)值僅 18 億美元，且多數(shù)產(chǎn)品無核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)，技術(shù)開發(fā)能力差距顯著。

在巨大的糧食產(chǎn)量壓力下，當(dāng)前病蟲害防治的核心思想仍然是簡(jiǎn)單殺滅，技術(shù)上主要依靠以病蟲害基礎(chǔ)代謝過程和神經(jīng)相關(guān)受體等為靶標(biāo)的化學(xué)農(nóng)藥，忽視生物間存在的相互關(guān)系和信息傳遞，這是導(dǎo)致一系列嚴(yán)重問題的根本原因。盡管我國(guó)啟動(dòng)了到 2020 年化肥、農(nóng)藥零增長(zhǎng)行動(dòng)方案，也設(shè)立了相應(yīng)的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，對(duì)農(nóng)藥的科學(xué)合理使用進(jìn)行深入研究，但考慮到當(dāng)前農(nóng)藥使用的可選擇性和使用現(xiàn)狀，要達(dá)到上述目標(biāo)尚需做出艱苦的努力。未來作物病蟲害防治思想、基礎(chǔ)理論和技術(shù)發(fā)展將往何處去？如何把綜合防治中維護(hù)生態(tài)平衡的思想優(yōu)勢(shì)與化學(xué)防治方法簡(jiǎn)便、易行和有效的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合在一起？與此同時(shí)，發(fā)展具有革命意義的作物抗病蟲害技術(shù)，擯棄低效、復(fù)雜、嚴(yán)重影響環(huán)境和威脅人類健康的固有技術(shù)缺陷，是當(dāng)代生命科學(xué)基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究面臨的重大科學(xué)問題之一。

圖1 未來糧食增產(chǎn)熱點(diǎn)區(qū)域及病蟲害的影響

1 生物間信息流及病蟲害行為操縱是未來防治思想的重大突破

在生物圈中，沒有任何一種生物能夠孤立地生存于非生物的理化環(huán)境之中，它必須與周圍的其他生物及環(huán)境產(chǎn)生相互作用和緊密聯(lián)系。這些聯(lián)系及生物間的相互作用構(gòu)成了寄生、互惠、共生、競(jìng)爭(zhēng)、拮抗等生態(tài)和協(xié)同進(jìn)化關(guān)系，而生物之間傳遞的信息流則決定了這些關(guān)系的實(shí)質(zhì)，其傳遞規(guī)律是任何生命存在與進(jìn)化的基本法則。

有據(jù)于此，從生物間相互關(guān)系的角度重新審視作物—昆蟲—病原微生物的關(guān)系就會(huì)發(fā)現(xiàn)，種內(nèi)、種間關(guān)系與生物間信息流的傳遞是決定三者間相互關(guān)系最重要的因素[3]。生物間信息流是指生物信號(hào)以物理、化學(xué)形式在物種之間產(chǎn)生、傳遞、交流、修飾、翻譯、抑制的路徑、過程與控制。以作物—媒介昆蟲—植物病毒這三者間的關(guān)系為例：作物釋放的物理和化學(xué)信息能夠被媒介昆蟲識(shí)別，吸引昆蟲的移動(dòng)、遷飛并寄居在植物上，在取食植物的同時(shí)傳播病原微生物[4]。在此過程中，植物受到物理損傷后，會(huì)經(jīng)由茉莉酸等激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑啟動(dòng)抗蟲相關(guān)基因的表達(dá)，通過增加萜烯類化合物、單寧、黃酮或多酚等化合物的含量等方式進(jìn)行抗蟲防衛(wèi)反應(yīng)。有意思的是，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，昆蟲攜帶的病毒經(jīng)取食進(jìn)入到植物中后，會(huì)通過病毒編碼的蛋白干擾植物的多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，抑制植物抗蟲相關(guān)基因的表達(dá)和化合物的合成，因而有利于昆蟲的取食并造成其種群擴(kuò)大、成災(zāi)[5,6]。由這一實(shí)例可見，一方面病毒需要通過昆蟲取食才能侵染植物寄主；另一方面，病毒的內(nèi)共生也有利于昆蟲克服植物抗蟲防衛(wèi)體系，植物、媒介昆蟲和病毒之間形成了復(fù)雜的共生和寄生關(guān)系。這些復(fù)雜的生物關(guān)系中，病毒如何識(shí)別昆蟲并特異性地寄生于昆蟲體內(nèi)？昆蟲如何識(shí)別特定的寄主植物進(jìn)行取食，同時(shí)又幫助病毒傳染寄主植物？植物如何識(shí)別昆蟲和病毒，從而啟動(dòng)相應(yīng)的抗病、蟲防衛(wèi)反應(yīng)體系？這些有關(guān)種間信息的識(shí)別、解碼、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與反應(yīng)的科學(xué)問題決定了作物—媒介昆蟲—植物病毒之間的關(guān)系，最終決定作物受昆蟲和病毒危害的程度與范圍。需要指出的是，對(duì)于上述物種間的相互作用關(guān)系，人類的理解還非常薄弱。正是由于這一原因，限制了我們利用先進(jìn)科學(xué)手段對(duì)這些相互作用關(guān)系進(jìn)行精確的操縱，因而被迫采取了無選擇“殺滅”的方式進(jìn)行作物病蟲害防治。這是作物病理和作物保護(hù)學(xué)科發(fā)展的歷史性局限。

對(duì)生物間信息流及其調(diào)控的理解能夠科學(xué)地指導(dǎo)防治策略。例如，長(zhǎng)期、單一、反復(fù)使用化學(xué)農(nóng)藥，已導(dǎo)致多種病蟲害產(chǎn)生抗藥性和耐藥性。這主要是由于目前使用的絕大多數(shù)化學(xué)農(nóng)藥采取的是非特異性毒殺的方法。在自然選擇壓力的作用下，病蟲害中自發(fā)產(chǎn)生的耐藥性相關(guān)遺傳變異能夠迅速在種群內(nèi)獲得選擇上的有利性而被固定下來，加速了耐藥性的進(jìn)化。與此同時(shí)，在病原微生物群體中，由于微生物群體內(nèi)存在個(gè)體間水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象（horizontal gene transfer），耐藥性相關(guān)基因能夠在極遠(yuǎn)緣的病原微生物之間進(jìn)行遺傳交換，這進(jìn)一步加快了耐藥性的產(chǎn)生[7]。正因如此，傳統(tǒng)“殺滅”病蟲害的技術(shù)策略只能在短期內(nèi)取得極其有限的效果。對(duì)于這一難題，科學(xué)家已經(jīng)提出了新的策略：在進(jìn)行新型化學(xué)藥物篩選時(shí)，如果理解了生物間信息流的方向與調(diào)控，有目的地篩選僅阻斷種間識(shí)別與響應(yīng)過程，但不影響病蟲害其他生理與代謝過程的特異性化合物。使用這類新的化學(xué)農(nóng)藥將使病蟲害面臨的自然選擇壓力較小，在對(duì)病蟲害進(jìn)行精準(zhǔn)防治，控制其種群大小的同時(shí)，減慢耐藥相關(guān)基因在種群內(nèi)的固定過程，能夠有效地避免耐藥性快速進(jìn)化。因此，深入理解生物間信息流是發(fā)展革命性病蟲害防控技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)（圖 2）。在此基礎(chǔ)上，對(duì)作物—昆蟲—病原微生物生物間信息流及行為進(jìn)行操縱將會(huì)是下一代病蟲害防治學(xué)術(shù)思想的重大突破。在該學(xué)術(shù)思想的指導(dǎo)下，相應(yīng)的理論體系和防治技術(shù)平臺(tái)建設(shè)將會(huì)改變以往化學(xué)防治、生物防治和綜合防治中存在的固有缺點(diǎn)，為作物病理學(xué)基礎(chǔ)理論和病蟲害田間防控做出卓越貢獻(xiàn)，對(duì)于保障糧食、食品安全具有重大指導(dǎo)和戰(zhàn)略意義。

圖2 學(xué)術(shù)思想突破（生物間信息流）帶動(dòng)基礎(chǔ)研究與防治技術(shù)進(jìn)步

2 “生物間信息的識(shí)別、解碼與操縱”是現(xiàn)代生命科學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域

從宏觀上說，作物病蟲害實(shí)際上是由于昆蟲和病原微生物為滿足自身正常生存、發(fā)育、繁殖和種群擴(kuò)大的需要，而對(duì)寄主植物的取食和寄生行為。在過去，單純從群落或種群生態(tài)學(xué)角度對(duì)三者間關(guān)系進(jìn)行研究的重點(diǎn)主要集中于物種種群數(shù)量、結(jié)構(gòu)格局，動(dòng)態(tài)變化、種間關(guān)系及其環(huán)境影響因素等。雖然這些研究為理解作物病蟲害的暴發(fā)及環(huán)境制約機(jī)制提供了基礎(chǔ)知識(shí)，但總體而言未能深入到物種對(duì)環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制這一根本性的問題上。近年來，隨著分子生物學(xué)和組學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和生命科學(xué)內(nèi)部的融合與交叉，已經(jīng)能夠全面、系統(tǒng)地解析作物、昆蟲和病原微生物三者之間的生物間信息流及其傳遞的分子機(jī)制，從生物學(xué)性狀本身出發(fā)而非從數(shù)量指標(biāo)出發(fā)，來對(duì)作物病蟲害進(jìn)行深入的研究，探索宏觀生態(tài)學(xué)現(xiàn)象后面的分子生物學(xué)與生物化學(xué)機(jī)制。這使得人類對(duì)生物間信息流進(jìn)行人工模擬、干擾、操縱成為可能，具有巨大的應(yīng)用潛力。這一發(fā)展趨勢(shì)代表了整合生物學(xué)發(fā)展的未來，也是宏觀生物科學(xué)在理論上做出重大突破的重要途徑。

從生物互作的分子機(jī)制而言，與動(dòng)物感染與免疫學(xué)一樣，作物先天免疫系統(tǒng)與昆蟲、病原微生物之間的相互作用關(guān)系也是現(xiàn)代生命科學(xué)的前沿學(xué)科，大量的原創(chuàng)研究論文頻繁在 Cell，Nature 和 Science 等頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表。在過去，以模式生物，如果蠅、線蟲、大腸桿菌和擬南芥等為研究對(duì)象的生物科學(xué)更多地注重研究生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖等單一生命過程中的主要環(huán)節(jié)。然而，正如生態(tài)學(xué)揭示的那樣，物種之間的相互關(guān)系形成了地球生物圈里能量流、信息流和物質(zhì)流最主要的網(wǎng)絡(luò)載體系統(tǒng)，也是地球生命得以維持的最重要的依存關(guān)系，其中蘊(yùn)涵著豐富的、尚未被人類認(rèn)識(shí)的重大科學(xué)問題。以作物—昆蟲—病原微生物作為研究對(duì)象，從分子水平開展生物間相互關(guān)系及生物間信息流的研究，必將做出新的生物學(xué)發(fā)現(xiàn)，發(fā)展新的學(xué)科理論。

3 有關(guān)“生物信息流”的研究促進(jìn)了重大生物技術(shù)的發(fā)展

現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)實(shí)質(zhì)上是人類對(duì)生命進(jìn)行的人工模擬與重新設(shè)計(jì)。在物種相互作用過程中，分子水平的相互操縱是自然存在著的。很多現(xiàn)代生命科學(xué)的重大理論與技術(shù)進(jìn)展是在研究和模擬上述關(guān)系過程中被發(fā)現(xiàn)的，因此，作物病理與作物保護(hù)學(xué)科的發(fā)展已經(jīng)為整個(gè)生命科學(xué)領(lǐng)域作出了重大貢獻(xiàn)。

（1）天然免疫激活受體的發(fā)現(xiàn)。首個(gè)被發(fā)現(xiàn)的高等生物天然免疫激活受體是 1995 年在水稻—黃單胞菌互作過程中分離的水稻 Xa21 蛋白[8]，而后在對(duì)哺乳動(dòng)物中脂多糖受體和昆蟲 TOLL 樣受體及功能解析的研究工作中取得突破并獲得 2011 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

（2）RNA 干擾（RNAi）現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。RNAi首先是在植物—病毒相互作用和植物基因的“共抑制”現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)[9]。該現(xiàn)象的分子機(jī)制在線蟲模式體系中被闡明后獲得 2006 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，為深入理解分子生物學(xué)“中心法則”和發(fā)展現(xiàn)代基因調(diào)控技術(shù)作出了重大貢獻(xiàn)。

（3）植物轉(zhuǎn)化技術(shù)。在研究植物—細(xì)菌互作過程中發(fā)現(xiàn)根癌農(nóng)桿菌感應(yīng)植物化學(xué)信息后，將 Ti 質(zhì)粒整合植物基因組中，調(diào)控寄主基因表達(dá)[10]。支撐現(xiàn)代植物分子生物學(xué)誕生與發(fā)展的核心技術(shù)之一的植物轉(zhuǎn)化技術(shù)就是該過程經(jīng)人工改造而成。

（4）TALEN 基因組編輯技術(shù)。在研究植物—細(xì)菌互作過程中發(fā)現(xiàn)黃單胞菌 TAL 類效應(yīng)子（effector）能夠按規(guī)則化的編碼方式，特異性地識(shí)別植物基因啟動(dòng)子序列[11]?；谠撗芯康?TALEN 技術(shù)是目前編輯基因組 DNA 最成熟的生物技術(shù)之一，曾被 Science 評(píng)為 2012 年十大科學(xué)進(jìn)展之一。

上述科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)進(jìn)步表明，植物—病原微生物—昆蟲相互之間存在自然、分子水平的操縱一旦被闡明，就能輻射到整個(gè)生命科學(xué)領(lǐng)域，從而做出重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。其發(fā)展和影響并不僅僅局限于該研究領(lǐng)域。

4 靶向生物信息流，導(dǎo)向性防控作物病蟲害是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的重大突破口

中科院在作物抗病、昆蟲生物學(xué)和病原微生物致病機(jī)制領(lǐng)域有一支優(yōu)勢(shì)研究隊(duì)伍，在各專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)具有顯著的地位和國(guó)際影響力，是作物病理學(xué)與保護(hù)學(xué)領(lǐng)域高水平人才薈萃的研究集體之一。然而，由于作物抗病、農(nóng)業(yè)昆蟲和病原微生物研究分屬植物學(xué)、動(dòng)物學(xué)和微生物學(xué)等不同的專業(yè)領(lǐng)域，過去合作攻關(guān)研究較少。包括“973”、重大研究計(jì)劃等在內(nèi)的現(xiàn)有國(guó)家重點(diǎn)科學(xué)研究項(xiàng)目均不能有效地將上述人才隊(duì)伍納入同一項(xiàng)目，并在同一個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題下進(jìn)行協(xié)同研究。

基于上述考慮，為了突破病蟲害防控的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究瓶頸，中科院于 2014 年設(shè)立了“作物病蟲害的導(dǎo)向性防控——生物間信息流與行為操縱”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)。該專項(xiàng)在“作物—昆蟲—病原微生物生物間信息流及行為操縱”這一總體學(xué)術(shù)思想的統(tǒng)領(lǐng)下，將總體研究方向定為：系統(tǒng)分析并鑒定與作物病蟲害發(fā)生、發(fā)展和成災(zāi)有關(guān)的種間信息及其傳遞過程，建立生物間信息流精細(xì)調(diào)控的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，識(shí)別種間信息傳遞過程中的重要調(diào)控節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展人工操縱昆蟲和病原微生物行為及致病過程的新技術(shù)與新方法，并通過生態(tài)自殺、性別控制、發(fā)展新型抗菌化合物、作物免疫調(diào)節(jié)劑、作物抗性相關(guān)代謝組人工設(shè)計(jì)等現(xiàn)代生物學(xué)手段，對(duì)害蟲和病原微生物進(jìn)行高效、特異、環(huán)境友好和費(fèi)效比高的導(dǎo)向性防控，為我國(guó)主要糧食作物的病蟲害防控工作做出重大思想理論創(chuàng)新，在關(guān)鍵技術(shù)障礙實(shí)現(xiàn)突破；并為保障國(guó)家糧食安全作出重要貢獻(xiàn)。

為了完成該目標(biāo)，該專項(xiàng)設(shè)立了 5 個(gè)研究項(xiàng)目進(jìn)行整合創(chuàng)新：（1）種內(nèi)信息流的生物學(xué)效應(yīng)與人工操縱；（2）種間信息的識(shí)別解碼與人工操縱；（3）信息流傳遞與應(yīng)答的調(diào)控與操縱；（4）基于靶標(biāo)分子的病蟲特異性干預(yù)；（5）多營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物間信息互作與導(dǎo)向調(diào)控。各項(xiàng)目集中中科院微生物學(xué)、現(xiàn)代昆蟲學(xué)、植物分子生物學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)、基因組學(xué)和組合化學(xué)等多學(xué)科的優(yōu)勢(shì)力量，合理分工，協(xié)力合作，為總體目標(biāo)的完成進(jìn)行深入研究。同時(shí)，依托專項(xiàng)實(shí)施，全面建立包括遺傳學(xué)、表觀遺傳學(xué)和組學(xué)分析平臺(tái)、物質(zhì)檢測(cè)與生物化學(xué)分析平臺(tái)、靜態(tài)—?jiǎng)討B(tài)細(xì)胞生物學(xué)分析平臺(tái)和整合生物學(xué)與生物信息學(xué)分析平臺(tái)在內(nèi)的研究與發(fā)展設(shè)施。

5 “作物病蟲害的導(dǎo)向性防控”先導(dǎo)專項(xiàng)已經(jīng)取得了系列重大研究成果

自 2014 年啟動(dòng)實(shí)施以來，該專項(xiàng)無論是在基礎(chǔ)理論還是在重大應(yīng)用技術(shù)方面，均取得了系列重大突破。（1）基礎(chǔ)理論研究方面。專項(xiàng)研究團(tuán)隊(duì)通過種內(nèi)信息流及其機(jī)制的研究，發(fā)現(xiàn)飛蝗聚群信息流具有跨代表觀遺傳效應(yīng)，揭示非編碼小 RNA 作為這一過程的關(guān)鍵調(diào)控信息物質(zhì)控制后代卵的發(fā)育和孵化的同步性，為發(fā)展蝗災(zāi)暴發(fā)的綠色防控策略開辟新的途徑[12,13]。（2）作物與微生物互作領(lǐng)域。發(fā)現(xiàn)了多個(gè)病原菌致病新機(jī)理，在植物先天免疫、茉莉酸和小 RNA 介導(dǎo)的植物免疫反應(yīng)方面取得了多項(xiàng)國(guó)際領(lǐng)先成果，為提高作物抗病能力、選擇新型農(nóng)藥作用靶標(biāo)提供科學(xué)依據(jù)[14-18]。（3）植物與昆蟲互作領(lǐng)域。發(fā)現(xiàn)茉莉素響應(yīng)衰減和植保素積累動(dòng)態(tài)調(diào)控不同發(fā)育時(shí)期植物的抗蟲性，同時(shí)發(fā)展RNAi抗蟲技術(shù)，為培育新型抗蟲作物提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)[19]。（4）昆蟲與微生物互作領(lǐng)域。闡明昆蟲真菌遺傳進(jìn)化和寄主適應(yīng)機(jī)理、卵胞霉素生物合成及抑制昆蟲免疫機(jī)制，為發(fā)展環(huán)境友好的真菌殺蟲劑提供理論基礎(chǔ)[20,21]。（5）多營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物互作研究領(lǐng)域。發(fā)現(xiàn)多物種間協(xié)同發(fā)育的關(guān)鍵分子，闡明病蟲行為和發(fā)育的信息流控制機(jī)制，提出全球氣候變化下作物-害蟲-病毒-天敵發(fā)生發(fā)展的預(yù)警與防控新對(duì)策[22,23]。（6）重大生物技術(shù)方面。利用基因組編輯技術(shù)，對(duì)六倍體小麥的 MLO 基因定向修飾，在國(guó)際上首次培育出高抗白粉病小麥，獲得生物技術(shù)重大突破，為我國(guó)農(nóng)作物育種提供重要技術(shù)支撐[24]。在國(guó)際上首次證明了植物—真菌跨界小 RNA 沉默降解病原靶基因的抗病新途徑，并將之應(yīng)用于抗棉花黃萎病的種質(zhì)創(chuàng)新，有望攻克棉花重大病害黃萎病[25,26]。首次攻克了以信息素為核心的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，在我國(guó)成功控制紅脂大小蠹，發(fā)展了全球氣候變化下作物-害蟲-病毒-天敵發(fā)生發(fā)展的預(yù)警與防控新對(duì)策[27]。

該專項(xiàng)實(shí)施以來，在成果發(fā)表和應(yīng)用方面成績(jī)卓著。專項(xiàng)啟動(dòng)以來，共發(fā)表研究論文 150 余篇，其中 39 篇論文發(fā)表在包括 Nature Biotechnology，Cell Host & Microbe，Nature Plant，Nature Communication，PNAS，PLoS Pathogens，PLoS Genetics，Plant Cell 等國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊上。由第三方科研機(jī)構(gòu)評(píng)估的結(jié)果表明，專項(xiàng)科學(xué)隊(duì)伍在昆蟲學(xué)和植物病理學(xué)兩個(gè)主要學(xué)科領(lǐng)域上已經(jīng)大幅超越國(guó)際平均水平，接近國(guó)際頂級(jí)研究機(jī)構(gòu)的科技產(chǎn)出和影響力。此外，專項(xiàng)加強(qiáng)了數(shù)據(jù)交流、平臺(tái)技術(shù)共享等方面的建設(shè)，儲(chǔ)備了多種病蟲的基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組等 8 類 35 項(xiàng)相關(guān)數(shù)據(jù)，儲(chǔ)備了基因組編輯技術(shù)、生物互作感染方法等 17 類 41 項(xiàng)相關(guān)技術(shù)，并在專項(xiàng)內(nèi)共享使用。在管理方面秉持“精干隊(duì)伍、穩(wěn)定支持、嚴(yán)格考核、一流成果”的管理理念，實(shí)行差異化資助體系，鼓勵(lì)重大科研成果的產(chǎn)出，開展創(chuàng)新性的管理工作，為專項(xiàng)各課題組打破學(xué)科、研究所之間存在的研究障礙，為協(xié)同創(chuàng)新工作提供了制度保障和專業(yè)平臺(tái)[28]。

我國(guó)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)經(jīng)過數(shù)十年的積累，為保障國(guó)家、社會(huì)突飛猛進(jìn)的發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)。立足當(dāng)前，展望未來，我國(guó)農(nóng)業(yè)應(yīng)當(dāng)在基礎(chǔ)理論建設(shè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展和農(nóng)業(yè)創(chuàng)新體系上作出全新的貢獻(xiàn)，引領(lǐng)世界農(nóng)業(yè)科技發(fā)展的新方向?！白魑锊∠x害的導(dǎo)向性防控”先導(dǎo)專項(xiàng)是國(guó)家在作物病理學(xué)與保護(hù)學(xué)領(lǐng)域以科技專項(xiàng)形式進(jìn)行重點(diǎn)資助的重大項(xiàng)目，通過凝聚高水平研究隊(duì)伍，加強(qiáng)研究合作和學(xué)科融合，在項(xiàng)目管理機(jī)制與體制方面做出了重要?jiǎng)?chuàng)新，必將培育造就一支國(guó)際一流，能夠引領(lǐng)學(xué)科發(fā)展的創(chuàng)新隊(duì)伍，為引領(lǐng)生命科學(xué)領(lǐng)域前沿和保障國(guó)家糧食、食品重大戰(zhàn)略需求作出基礎(chǔ)性、前瞻性的貢獻(xiàn)。

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28 作物病蟲害導(dǎo)向防控專項(xiàng)辦. 作物病蟲害的導(dǎo)向性防控——生物間信息流與行為操縱. 中國(guó)科學(xué)院院刊, 2016(z2)： 140-145.

錢 韋中科院微生物所研究員，植物基因組學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，農(nóng)業(yè)微生物與生物技術(shù)研究室副主任兼學(xué)術(shù)秘書。研究方向包括：雙組分信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)在致病過程中的控制功能、植物病原細(xì)菌識(shí)別寄主與環(huán)境的分子機(jī)制、和病原細(xì)菌快速進(jìn)化的分子生物學(xué)基礎(chǔ)。曾獲選“中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)”會(huì)員和中科院首屆“盧嘉錫青年人才獎(jiǎng)”。E-mail： qianw@im.ac.cn

Qian WeiProfessor of Institute of Microbiology of Chinese Academy of Sciences (CAS), deputy director of State Key Laboratory of Plant Genomics, and deputy director of department of Agricultural Microbiology and Biotechnology, Institute of Microbiology, CAS. His research focuses on the signal integration and crosstalk of two-component signal transduction systems in Xanthomonas spp., molecular basis of bacterial regulon evolution. He was elected as a member of The Youth Association for the Advancement of Creative Science in 2012 and awarded Lu Jia-Xi Distinguished Yong Scientist in 2008. E-mail： qianw@im.ac.cn

康 樂男，中科院院士，發(fā)展中國(guó)家科學(xué)院院士，中科院動(dòng)物所研究員，我國(guó)著名生態(tài)學(xué)家和昆蟲學(xué)家。現(xiàn)任河北大學(xué)校長(zhǎng)、中科院動(dòng)物所所長(zhǎng)、中科院北京生命科學(xué)院院長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)生命科學(xué)院院長(zhǎng)，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)學(xué)位委員會(huì)副主任。長(zhǎng)期從事生態(tài)基因組學(xué)研究，是國(guó)際上生態(tài)基因?qū)W研究的領(lǐng)銜科學(xué)家、國(guó)家“973”項(xiàng)目首席科學(xué)家和基金委創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人，也是國(guó)際上幾個(gè)重要學(xué)術(shù)期刊的主編和編委。2008年被國(guó)際昆蟲學(xué)會(huì)選舉為執(zhí)行理事，2009年獲美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)榮譽(yù)科學(xué)博士，2011年獲何梁何利生命科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)，2013年獲美國(guó)昆蟲學(xué)會(huì)頒發(fā)的杰出科學(xué)家獎(jiǎng)，2015年獲選美國(guó)昆蟲學(xué)會(huì)會(huì)士和第八屆“談家楨生命科學(xué)獎(jiǎng)”成就獎(jiǎng)。E-mail： lkang@ioz.ac.cn

Kang LeMale, Professor of Institute of Zoology of Chinese Academy of Sciences (CAS), member of Chinese Academy of Sciences, and member of The World Academy of Sciences (TWAS) for the advancement of science in developing countries. He is also the president of Hebei University, director of Institute of Zoology, CAS, president of Beijing Institutes of Life Science, CAS, as well as the dean of Department of Life Sciences of University of Chinese Academy of Sciences. He is a distinguished expert in entomology and ecological genomics and integrates multiple approaches from molecular biology, physiology to behavior to resolve the ecological questions in insect adaptation to environmental variation. His highlights of research accomplishments include clarification of molecular regulatory mechanisms of locust phase changes, tritrophic interactions, and cold tolerance of insects. His research achievements have been recognized by international entomological societies. In 2008 he was elected as a council member of International Congress of Entomology, and in 2009 he received an Honorary Doctoral Degree of Science from the University of Nebraska. He also received several important awards including the International Distinguished Scientist Award from the Entomological Society of America (ESA) in 2013 and the prestigious Life Science & Biotechnology Prize from Ho Leung Ho Lee Foundation in 2011. He was elected as a fellow of ESA and won Tan’s Achievement Award of Life Sciences in 2015. E-mail： lkang@ioz.ac.cn

Decoding Mechanisms of Bio-interactions for Targeted Management of Agricultural Pests

Qian Wei1Qu Jing2Kang Le2,3
(1 Institute of Microbiology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China; 2 Beijing Institutes of Life Science, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China; 3 Institute of Zoology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China)

Pathogens and insect pests are the most formidable threats to sustainable crop production in China as well as the rest of the world. At present, the most common method of pest control is the use of chemical pesticides that target the basic metabolism, physiological and biochemical processes, and nerve receptors of pests and microbial organisms, leading to poisoning of humans and animals, agricultural pollution, and ecological damage. A great breakthrough in the next generation of pest control will be the artificial manipulation of bioinformation exchanges among crop, insect pests, and pathogenic microbial organisms. Decoding the molecular mechanisms of biointeractions is also one of the hot and frontier research areas in life sciences. The scientific discoveries and technological progress in this area, for example, the finding of RNAi phenomenon, discovery of immune receptor of eukaryotes, establishment of plant transformation technology and TALEN genome editing technology, have made paradigm shifts to the progress of entire life sciences. The strategic priority research project called Decoding the Mechanisms of Bio-interactions for Targeted Management of Agricultural Pests is the first and largest multi-disciplinary research program that sponsored by Chinese Academy of Sciences (CAS). The project aims to decode the complex biological interaction mechanisms and to translate basic research knowledge to cutting-edge approaches for smarter pest and disease managements. Within just a short period of three years, this project has made great progress. A series of high impact papers were published and it produced creative approaches for pest control. These significant achievements elevate the level of China’s insect and pathology sciences to a world-class and contribute to the crop protection from pest infections without compromising agricultural productivity and environmental health.

crop, pathogens and insect pests, bio-interactions, pest control

*資助項(xiàng)目：中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDB110407 00、XDB11010200）

**通訊作者

修改稿件收到日期：2017年7月17日