適用于入侵害蟲治理的遺傳調(diào)控技術(shù)*

李芝倩 陳 凱 楊芳穎 黃勇平

中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院 上海 200032

適用于入侵害蟲治理的遺傳調(diào)控技術(shù)*

李芝倩 陳 凱 楊芳穎 黃勇平**

中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院 上海 200032

“生物入侵”是指某種生物從外地自然傳入或人為引種后成為野生狀態(tài)，并對(duì)本地生態(tài)系統(tǒng)造成一定危害的現(xiàn)象。在缺乏天敵和其他制約因子存在的前提下，入侵種能夠快速繁殖和擴(kuò)增并對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境、生物多樣性和經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重的損失。隨著全球化進(jìn)程的發(fā)展，生物入侵變得更加普遍并且危害更加嚴(yán)重，加強(qiáng)入侵種的治理至關(guān)重要。由于傳統(tǒng)的物理和化學(xué)方法在入侵種防治中存在著一些難以解決的問(wèn)題，開發(fā)和利用無(wú)污染、無(wú)公害的遺傳調(diào)控技術(shù)在生物入侵種的綜合治理方面就顯得非常迫切。文章針對(duì)我國(guó)入侵害蟲的現(xiàn)狀、主要入侵方式及目前的防治措施進(jìn)行了總結(jié)，同時(shí)對(duì)遺傳調(diào)控技術(shù)及其在生物入侵種綜合治理方面的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，以期為我國(guó)生物入侵的科學(xué)治理提供參考。

生物入侵，綜合防治，遺傳調(diào)控

DOI10.16418/j.issn.1000-3045.2017.08.005

生物入侵嚴(yán)重危害著農(nóng)業(yè)、林業(yè)、生態(tài)和人類健康，是造成全球生物多樣性下降的第二大因素。隨著全球化進(jìn)程的加快，生物入侵也日益嚴(yán)重。在我國(guó)已經(jīng)發(fā)生的入侵物種案例中，75% 存在于沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)和邊境口岸，生物入侵給我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了嚴(yán)重的損失[1]。目前，我國(guó)主要采用化學(xué)和物理等措施對(duì)生物入侵種進(jìn)行治理，在抑制外來(lái)入侵物種的同時(shí)也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染和高昂的防治成本等問(wèn)題。因此，開發(fā)和利用無(wú)污染、無(wú)公害的新型防治措施在生物入侵種的綜合治理方面就顯得非常迫切。本文針對(duì)我國(guó)生物入侵的現(xiàn)狀、主要入侵方式及目前的防治措施進(jìn)行了總結(jié)。同時(shí)對(duì)用遺傳操作進(jìn)行生物入侵種的調(diào)控進(jìn)行了展望，期望能夠?yàn)槲覈?guó)生物入侵的預(yù)防和科學(xué)治理提供參考。

1 外來(lái)入侵物種的危害

1.1 生物入侵途徑

生物入侵的途徑主要分為兩大類：自然途徑和人為途徑[2]。自然途徑是指生物依靠自身的擴(kuò)散作用或者風(fēng)力、水流甚至其他動(dòng)物等自然媒介進(jìn)行傳播入侵。由于這種途徑不依賴于人為活動(dòng)，擴(kuò)散的區(qū)域幾乎無(wú)法控制，因此造成的危害也難以估量。在我國(guó)，紫莖澤蘭是通過(guò)自然途徑進(jìn)行入侵的典型案例。這種原產(chǎn)于中美的植物被引入到緬甸以后，通過(guò)自然途徑沿中緬邊境進(jìn)入中國(guó)，成為危害嚴(yán)重的入侵植物。而人為途徑則可以分為有意引入和偶然帶入兩種。有意引入往往是為了達(dá)到某個(gè)目的而進(jìn)行的。例如，在 20 世紀(jì) 60—80 年代，為了保護(hù)灘涂，我國(guó)從英美等國(guó)家引進(jìn)了大米草。其抗逆性強(qiáng)、繁殖速度極快，最終造成了灘涂生態(tài)失衡、近海生物的棲息環(huán)境被破壞、附近航道被阻塞等嚴(yán)重后果。隨著全球化進(jìn)程的發(fā)展，世界各國(guó)交流密切，這也增加了偶然帶入物種入侵的可能性。偶然帶入的途徑包括貿(mào)易、旅游、交通運(yùn)輸?shù)萚3]。20 世紀(jì) 70 年代，美國(guó)白蛾通過(guò)飛機(jī)、輪船等交通工具無(wú)意間被帶入我國(guó)。由于其為廣食性昆蟲，幾乎能取食所有的綠色喬木，因此對(duì)我國(guó)的農(nóng)林業(yè)造成了巨大的危害。

1.2 我國(guó)生物入侵現(xiàn)狀

我國(guó)地域遼闊，熱帶季風(fēng)氣候、亞熱帶季風(fēng)氣候、溫帶季風(fēng)氣候等多種氣候類型并存，是受生物入侵危害最嚴(yán)重的國(guó)家之一。早在 2003 年，經(jīng)原國(guó)家環(huán)保總局調(diào)查統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的外來(lái)入侵物種已多達(dá) 283 種，而且每年都在以驚人的速度增加[4]。據(jù) 2014 年 11 月的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，僅中國(guó)境內(nèi)的外來(lái)入侵植物已多達(dá) 515 種。這些入侵物種每年都對(duì)我國(guó)造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。表 1列舉了我國(guó)外來(lái)入侵物種相關(guān)的直接經(jīng)濟(jì)損失和防治費(fèi)用。其中，僅 11 種入侵中國(guó)的病蟲草害，每年造成的經(jīng)濟(jì)損失就多達(dá) 500 多億元人民幣。其余種類所造成的直接和間接危害更是難以估量[5]。

1.3 生物入侵的危害

1.3.1 造成巨大經(jīng)濟(jì)損失

生物入侵已成為全球性的問(wèn)題。由于其造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此受到各國(guó)政府關(guān)注[6]。一方面，入侵的病蟲害每年會(huì)對(duì)農(nóng)林業(yè)的生產(chǎn)造成巨大的破壞。以我國(guó)為例，僅松材線蟲、濕地松粉蚧、松突圓蚧、美國(guó)白蛾等幾種入侵害蟲每年都會(huì)導(dǎo)致數(shù)百萬(wàn)公頃的森林受災(zāi)，而馬鈴薯甲蟲、非洲大蝸牛等入侵害蟲每年可造成數(shù)百萬(wàn)公頃農(nóng)田受災(zāi)。另一方面，每年防治入侵生物的花費(fèi)數(shù)以億計(jì)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年僅打撈防治水葫蘆一項(xiàng)就要花費(fèi)數(shù)十億元。事實(shí)上，入侵種在其他國(guó)家都造成類似的嚴(yán)重危害。美國(guó)也是深受入侵生物危害的國(guó)家，其每年因生物入侵造成的損失達(dá) 1 000 多億美元[7]。

1.3.2 破壞生物多樣性

由于在入侵地缺乏天敵和環(huán)境等制約因子，入侵生物的數(shù)量往往呈指數(shù)增長(zhǎng)。它們會(huì)占領(lǐng)本地生物的棲息地或捕食掠奪本地生物，導(dǎo)致本地生物數(shù)量不斷下降，并最終使得某些物種從本地消失，降低本地生物的多樣性。而當(dāng)生物多樣性被進(jìn)一步破壞時(shí)，會(huì)導(dǎo)致生態(tài)結(jié)構(gòu)改變并可能導(dǎo)致生態(tài)災(zāi)害[5]。例如，20 世紀(jì) 70 年代，美國(guó)引進(jìn)亞洲鯉魚以改善當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。這種來(lái)自亞洲的“客人”在缺乏天敵、食物充足的條件下，種群增長(zhǎng)迅猛并占領(lǐng)其他魚類的棲息地和生存環(huán)境，最終導(dǎo)致其他魚的種類和數(shù)量急劇下降，嚴(yán)重破壞了當(dāng)?shù)氐纳锒鄻有浴Ａ硗庖粋€(gè)植物方面的例子也從側(cè)面印證了這種災(zāi)難：杉葉蕨藻原產(chǎn)于澳大利亞，曾作為觀賞種被引入地中海地區(qū)，這種有毒植物會(huì)形成密集的單一族群，阻止本地海草建立族群，并且?guī)缀跄芘艛D掉其他所有海洋生物，對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞。由于生物入侵而導(dǎo)致生物多樣性降低的實(shí)例不勝枚舉，并且新的案例仍在不斷地發(fā)生，因此生物入侵對(duì)生物多樣性的嚴(yán)重破壞可見一斑。

表 1 外來(lái)入侵物種相關(guān)的直接經(jīng)濟(jì)損失和防治費(fèi)用[5]

1.3.3 威脅人類健康

入侵生物對(duì)人類的健康也會(huì)造成嚴(yán)重的危害[8]。入侵我國(guó)的豚草原產(chǎn)自北美洲。該草的花粉中含有水溶性蛋白，與人接觸后可迅速釋放而引起過(guò)敏性反應(yīng)。這是秋季花粉過(guò)敏癥的主要致病原，易導(dǎo)致有害健康的“枯草熱癥”。原產(chǎn)于南美洲的紅火蟻?zhàn)?2004 年在我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)發(fā)現(xiàn)之后，已擴(kuò)大到我國(guó)廣東、香港、澳門、湖南、廣西和海南等地。它們除了對(duì)作物、動(dòng)物和基礎(chǔ)設(shè)施等造成危害以外，還對(duì)人類健康造成直接損害。人體被紅火蟻叮蟄后出現(xiàn)火灼般疼痛，傷口繼而出現(xiàn)化膿紅腫，個(gè)別過(guò)敏體質(zhì)者可出現(xiàn)休克。除了直接危害人類健康，入侵生物還會(huì)間接對(duì)人類造成傷害。許多傳染性疾病，如瘧疾、乙腦、登革熱等，都是以入侵生物為媒介進(jìn)行傳播，嚴(yán)重威脅了人類的健康。登革熱由伊蚊傳播，每年就有100 多個(gè)國(guó)家的超過(guò) 5 000 萬(wàn)人口被傳染，并有多個(gè)死亡的案例[8]。

綜上所述，入侵生物已經(jīng)對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和人類健康都造成了嚴(yán)重的危害。因此，對(duì)于入侵生物的防治刻不容緩。

2 目前對(duì)外來(lái)物種的主要治理方法

對(duì)于外來(lái)物種，我們應(yīng)該防患于未然，采取各種措施減少有害生物入境，以減少其對(duì)該國(guó)家或地區(qū)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和人類健康的影響。針對(duì)外來(lái)入侵物種的防治，較常用的方法是通過(guò)機(jī)械（或物理）、化學(xué)、生物等方法或者將這些方法結(jié)合起來(lái)綜合治理，恢復(fù)和重建生態(tài)系統(tǒng)。

2.1 機(jī)械（或物理）防治

根據(jù)外來(lái)入侵物種的相關(guān)特性，利用專門設(shè)計(jì)制造的機(jī)械設(shè)備直接除去入侵動(dòng)植物。這類機(jī)械或者物理防治措施在短時(shí)間內(nèi)可以迅速清除一定范圍內(nèi)的外來(lái)動(dòng)植物，且對(duì)環(huán)境友好[9]。在陜西和遼寧等地人工操作機(jī)械剪除幼蟲網(wǎng)幕、高截樹頭成功控制了美國(guó)白蛾的泛濫。但是機(jī)械設(shè)備成本高，且屬于勞動(dòng)力密集型；此外，機(jī)械防除后，若未妥善處理有害植物殘株，這些殘株依靠無(wú)性繁殖可能成為新的傳播源[9]。

2.2 化學(xué)防治

使用化學(xué)方法見效快、使用方便、易于大面積應(yīng)用。但該防治方法成本高，并且常常在消除外來(lái)入侵物種的同時(shí)也會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)卦形锓N、生態(tài)環(huán)境和人類健康造成不良影響，還易使外來(lái)物種產(chǎn)生抗藥性。對(duì)于大面積山林及自身經(jīng)濟(jì)價(jià)值相對(duì)較低的生態(tài)環(huán)境，化學(xué)農(nóng)藥的使用往往不切實(shí)際。而對(duì)于湖泊、河流和水庫(kù)等一些特殊環(huán)境，化學(xué)農(nóng)藥也是限制使用的[9]。除草劑是進(jìn)行入侵物種防治的重要化學(xué)方法，根據(jù)其作用方式，除草劑可分為內(nèi)吸型和觸殺型兩類。內(nèi)吸型除草劑一般用于多年生雜草，但防治效果較慢；觸殺型除草劑見效快，常適用于一年生雜草。由于很多外來(lái)入侵植物系多年生，應(yīng)用內(nèi)吸性除草劑效果較為持久。雖然用化學(xué)制劑進(jìn)行入侵物種的防治取得了一定的成功，但隨之而來(lái)的環(huán)境污染、抗藥性等問(wèn)題無(wú)疑又帶來(lái)了新的考驗(yàn)。

2.3 生物防治

對(duì)分布面積大且已基本穩(wěn)定的外來(lái)入侵物種，建議采用生物防治，即通過(guò)引進(jìn)入侵種的原產(chǎn)地天敵（昆蟲和真菌）。在進(jìn)行安全性、專一性和生態(tài)適應(yīng)性等研究的基礎(chǔ)上釋放天敵，以達(dá)到控制外來(lái)入侵物種的目的[10]。生物防治的突出特點(diǎn)是對(duì)環(huán)境安全、經(jīng)濟(jì)合算、效果明顯且持久。

世界上第一個(gè)引進(jìn)天敵防治外來(lái)害蟲的成功范例是美國(guó)從澳大利亞引進(jìn)澳洲瓢蟲（Rodolia cardinalis mulsant）抑制吹綿蚧殼蟲的發(fā)生與危害，一舉挽救了加利福尼亞州瀕于毀滅的柑橘種植業(yè)。目前，我國(guó)的生物防治也有了一定成果。如利用鏈格孢菌（Alternaria alternata）防治紫莖澤蘭（Eupatorium adenophorum）；通過(guò)種黑麥草（Lolium perenne）或種植木豆（Cajanus cajan）并養(yǎng)殖紫膠蟲（Laccifer lacca）來(lái)阻止陽(yáng)生性紫莖澤蘭的發(fā)生和生長(zhǎng)；以及引進(jìn)水葫蘆象來(lái)治理水葫蘆等[11]。

但是，采用生物防治需要特別注意避免所使用的生物制劑本身成為外來(lái)入侵物種。1935 年澳大利亞從夏威夷引進(jìn)了甘蔗蟾蜍（Bufo marinus）來(lái)防治本地的甘蔗甲蟲（Dermolepida albohirtum）。甘蔗蟾蜍不僅繁殖能力強(qiáng)，與本地野生生物競(jìng)爭(zhēng)食物，而且還能分泌致死毒液，捕食各種生物。在捕食對(duì)象有選擇的情況下，它不會(huì)選擇甘蔗甲蟲進(jìn)行捕食[7]，最終造成這一生物防治措施徹底失敗。因此，在利用釋放天敵進(jìn)行入侵物種防治前，必須進(jìn)行天敵的安全性測(cè)定[12]。

3 遺傳調(diào)控是入侵害蟲治理的理想技術(shù)

3.1 遺傳調(diào)控技術(shù)簡(jiǎn)介

利用物理和化學(xué)方法進(jìn)行的入侵物種治理雖然能夠抑制外來(lái)物種的擴(kuò)增，但是這種方法帶來(lái)的問(wèn)題也顯而易見。長(zhǎng)期使用化學(xué)農(nóng)藥造成害蟲抗藥性逐漸增強(qiáng)、環(huán)境污染和農(nóng)藥殘留等嚴(yán)重問(wèn)題?；诖耍滦蜔o(wú)公害的入侵物種防治措施是未來(lái)入侵物種防治技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

利用遺傳調(diào)控技術(shù)進(jìn)行入侵物種防治的思路來(lái)自于近年來(lái)該技術(shù)在害蟲防治方面取得的進(jìn)展。種群的遺傳調(diào)控是指利用昆蟲自身生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵基因，采用性別控制開關(guān)，通過(guò)遺傳轉(zhuǎn)化使雄蟲成為攜帶導(dǎo)致后代雌蟲發(fā)育異?；虼菩圆挥倪z傳控制復(fù)合體（性別開關(guān)元件和靶標(biāo)基因的復(fù)合體），在自然種群中通過(guò)改變性別比例來(lái)實(shí)現(xiàn)種群的逐步下降。

遺傳調(diào)控技術(shù)具有多種優(yōu)點(diǎn)：（1）從原理設(shè)計(jì)上僅針對(duì)目標(biāo)對(duì)象本身發(fā)揮作用，是一種物種內(nèi)部的調(diào)控機(jī)制，不會(huì)對(duì)其他物種（特別是各種作物）造成影響。（2）不會(huì)使用任何化學(xué)農(nóng)藥，對(duì)環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)防治所帶來(lái)的各種危害。（3）借助于種群的遺傳能力，一旦所釋放的遺傳調(diào)控個(gè)體在自然界中成功的定居，這種能力將會(huì)在目標(biāo)害蟲種群內(nèi)加以擴(kuò)散而持續(xù)性地發(fā)揮作用，而對(duì)其他的物種不造成任何影響。因此，害蟲種群的遺傳調(diào)控是未來(lái)治理害蟲危害的理想選擇。

盡管目前還沒(méi)有利用遺傳調(diào)控進(jìn)行入侵物種防治的成功案例，但是其在害蟲種群中的應(yīng)用值得借鑒。

3.2 組成遺傳調(diào)控技術(shù)的關(guān)鍵元素

3.2.1 遺傳轉(zhuǎn)化與基因組編輯技術(shù)

自1982 年首例轉(zhuǎn)基因果蠅獲得成功以來(lái)[13]，遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)在昆蟲中的應(yīng)用也日益推進(jìn)。遺傳轉(zhuǎn)化是指利用顯微注射或者其他介導(dǎo)技術(shù)將目標(biāo)基因的 DNA 序列引入到早期胚胎內(nèi)，再通過(guò)酶的作用將外源 DNA 整合到受體物種的基因組之中。由于受到轉(zhuǎn)座子（動(dòng)物體內(nèi)可以移動(dòng)的遺傳元件，又稱跳躍基因或者轉(zhuǎn)座因子）和顯微注射技術(shù)的限制，在昆蟲中成功實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因并穩(wěn)定遺傳的種類仍然屈指可數(shù)。這些種類主要集中在雙翅目昆蟲和鱗翅目昆蟲之中。

基因組編輯技術(shù)是近年發(fā)展的重要技術(shù)。雖然應(yīng)用的時(shí)間不長(zhǎng)，但對(duì)生命科學(xué)研究和應(yīng)用都具有極大的推進(jìn)作用。從 2000 年左右開始出現(xiàn)的鋅指核酸酶（zinc finger nuclease，ZFN）技術(shù)[14]，到類轉(zhuǎn)錄激活因子核酸酶（transcription activator-like effector nuclease，TALEN）技術(shù)[14,15]，以及 2013 年開始興起的 RNA 靶向編輯（clustered regularly interspaced short palindromic repeats/Cas9，CRISPR/Cas9）技術(shù)，使得包括非模式生物在內(nèi)的諸多生物的基因組編輯成為可能，并且有望在未來(lái)運(yùn)用到入侵物種的遺傳調(diào)控中去。目前，這幾項(xiàng)技術(shù)在昆蟲中都得以成功地運(yùn)用。Wang 等[16]通過(guò)注射 Cas9 mRNA 和體外轉(zhuǎn)錄的 sgRNA，成功敲除了家蠶 BmBLoS2 基因，得到了可遺傳的油蠶表型。相對(duì)于 ZF array 或 TALE array 的構(gòu)建而言，sgRNA 的構(gòu)建在難度、時(shí)間以及成本方面都有無(wú)與倫比的巨大優(yōu)勢(shì)，并且在多位點(diǎn)編輯方面的優(yōu)勢(shì)更加明顯。基因組編輯技術(shù)由于具有定點(diǎn)敲除和插入的潛力，為各種基因功能研究和應(yīng)用提供了無(wú)限的可能。因此，在入侵物種防治方面也應(yīng)該具有無(wú)限的應(yīng)用潛力。特別是將遺傳轉(zhuǎn)化與基因組編輯技術(shù)相結(jié)合更好地推進(jìn)了基因組編輯技術(shù)的應(yīng)用。

3.2.2 重要的靶標(biāo)基因與元件的發(fā)掘與應(yīng)用

無(wú)論是利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)還是基因組編輯技術(shù)進(jìn)行入侵物種的防治，都需要挖掘一批特異的調(diào)控元件和靶標(biāo)基因。這里以昆蟲作為治理對(duì)象進(jìn)行闡述。

3.2.2.1 轉(zhuǎn)座元件

昆蟲中進(jìn)行的轉(zhuǎn)基因主要依靠轉(zhuǎn)座子進(jìn)行外源序列的導(dǎo)入。最早使用的轉(zhuǎn)座子是在果蠅利用 P 因子進(jìn)行轉(zhuǎn)基因。隨后，Minos[17]，Hermes[18]和 piggyBac[19]等被廣泛應(yīng)用于昆蟲轉(zhuǎn)基因。在諸多的轉(zhuǎn)座子中，來(lái)源于鱗翅目昆蟲的粉蚊夜蛾（Trichoplusia ni）的 piggyBac 轉(zhuǎn)座子使用較多。因其可攜帶的外源基因大小受限較小，轉(zhuǎn)座不受物種和生殖種系的限制，從單細(xì)胞生物到哺乳類都有應(yīng)用成功的先例，是目前應(yīng)用范圍最為廣泛的轉(zhuǎn)座子載體。至今 piggyBac 轉(zhuǎn)座子載體已經(jīng)被成功用于轉(zhuǎn)化雙翅目、鱗翅目、鞘翅目和膜翅目等多種昆蟲[20]。

3.2.2.2 性別特異的調(diào)控元件

（1）性別特異的啟動(dòng)子。借鑒害蟲防治的成功案例，有效治理入侵物種首先需要獲得一批時(shí)空特異性的啟動(dòng)子。使得驅(qū)動(dòng)表達(dá)的致死或者毒素因子能夠在特定的性別、組織或者發(fā)育時(shí)期進(jìn)行表達(dá)。在昆蟲中，運(yùn)用比較多的特異啟動(dòng)子包括有：① 性別特異的啟動(dòng)子。如卵黃蛋白（Yp）與卵黃原蛋白啟動(dòng)子（Vg）[21]、精巢特異表達(dá)的 β2-tubulin 啟動(dòng)子等[22]。② 特定時(shí)期表達(dá)啟動(dòng)子。如在果蠅胚胎的胚盤時(shí)期表達(dá)的 nullo 和 serendipity α 啟動(dòng)子等[23,24]。③ 特定的組織與環(huán)境中表達(dá)的啟動(dòng)子。如脂肪體特異表達(dá)的 Yp3[22]、生殖細(xì)胞特異的 Vasa 啟動(dòng)子[25]、伊蚊間接飛行肌（indirect flight muscle, IFM）中特異的 Act-4 啟動(dòng)子和受到溫度調(diào)控的 Hsp70 啟動(dòng)子等[26]。這些特異表達(dá)的啟動(dòng)子，能夠有效地調(diào)控不育和致死系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)基因種群飼養(yǎng)過(guò)程中的雌雄區(qū)分和種群的數(shù)量調(diào)控方面有重要意義。

（2）性別特異剪接系統(tǒng)。利用昆蟲性別決定通路中的選擇性剪切元件，新一代的遺傳調(diào)控系統(tǒng)將性別特異剪接整合到其中，并取得了成功。2007 年，F(xiàn)u 等[27]首次將性別剪接系統(tǒng)應(yīng)用到地中海實(shí)蠅（Ceratitis capitata）遺傳調(diào)控中去。他們把雌性特異性剪接信號(hào)（tra 基因的雌特異性內(nèi)含子片段）與單組分的 Tet-off 系統(tǒng)整合，使 tTA 只在雌性個(gè)體中表達(dá)，引起雌性個(gè)體致死。在雄性個(gè)體中，剪接信號(hào)不被識(shí)別激活，致死基因不表達(dá)，故而雄性個(gè)體正常存活。Ant 等[28]在橄欖實(shí)蠅中利用地中海實(shí)蠅的雌性特異性剪接信號(hào)（Cctra）同樣實(shí)現(xiàn)了特異性殺死雌性個(gè)體。實(shí)驗(yàn)室的籠子實(shí)驗(yàn)表明，在釋放雌性特異致死的轉(zhuǎn)基因種群 24 周后，野生種群的產(chǎn)卵率和雌性個(gè)體數(shù)目幾乎降低為 0。這些實(shí)驗(yàn)說(shuō)明有效地利用性別調(diào)控中的可變剪接信號(hào)，能夠很好地實(shí)現(xiàn)雌性特異致死，從而達(dá)到調(diào)控昆蟲種群密度的目的。

3.2.2.3 特異的致死與缺陷基因

特異的致死或缺陷基因的篩選對(duì)于構(gòu)建昆蟲種群遺傳調(diào)控系統(tǒng)至關(guān)重要。目前使用的致死或缺陷基因主要有與細(xì)胞凋亡相關(guān)的基因，如果蠅中的 hid（head involution defective）[29]，reapr[30]和grim[31]等；對(duì)細(xì)胞有毒性的基因，如果蠅中的 Ras64B，還有如 Tet 系統(tǒng)自身的 tTA 等。

2011 年，Thailayil等[32]發(fā)現(xiàn)雌性瘧蚊在受精后會(huì)發(fā)生一系列的行為變化，包括一次受精后終身不再受精、吸血后誘導(dǎo)產(chǎn)卵等現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)瘧蚊的 zpg 基因進(jìn)行 RNAi，他們成功培育了無(wú)精子的雄性瘧蚊，而這種無(wú)法產(chǎn)生精子的雄性瘧蚊與野生型雌蚊交配后會(huì)嚴(yán)重影響后者的生殖。這一體系的建立為通過(guò)篩選種類或物種特異的基因并進(jìn)行 RNAi 來(lái)實(shí)現(xiàn)昆蟲種群遺傳調(diào)控提供了很好的例證。

3.3 遺傳調(diào)控技術(shù)的應(yīng)用

目前至少已經(jīng)在 4 個(gè)目 20 余種昆蟲中成功開展了遺傳轉(zhuǎn)化研究。結(jié)合轉(zhuǎn)基因技術(shù)，英國(guó)的 Oxford Insect Technologies ( Oxitec ) 公司發(fā)明了一種 DNA 重組來(lái)得到遺傳改造過(guò)的昆蟲的技術(shù)——RIDL（release of insects carrying a dominant lethal）。這種技術(shù)主要是將一個(gè)可以控制的“顯性致死”基因通過(guò)轉(zhuǎn)基因?qū)肜ハx體內(nèi)，這個(gè)基因可以殺死昆蟲，但是會(huì)被抑制物抑制，這樣可以保證昆蟲在人工條件下進(jìn)行飼養(yǎng)。在此基礎(chǔ)上，F(xiàn)u 等[27]于 2007 年利用性別特異性剪接構(gòu)建了雌性特異致死系統(tǒng)。他們將 transformer（tra）基因的外顯子插入到 Tetoff 系統(tǒng)控制的順式激活因子中，成功構(gòu)建了性別特異的致死體系。近年來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)在開曼群島和相對(duì)孤立的環(huán)境中進(jìn)行了嘗試，已經(jīng)取得了理想的效果。

為了減少勞動(dòng)力的使用，科學(xué)家們正在開發(fā)一種基因驅(qū)動(dòng)（gene drive）技術(shù)?；蝌?qū)動(dòng)是指整合入基因組的外源片段能通過(guò)非孟德爾遺傳定律的方式快速擴(kuò)散到目標(biāo)害蟲種群并快速降低種群的密度。在該系統(tǒng)中，科學(xué)家將其與 CRISPR/Cas9 相結(jié)合，開發(fā)了 Mutagenic Chain Reaction（MCR）系統(tǒng)，在斯氏按蚊中獲得了兩個(gè)快速擴(kuò)增外源插入片段的品系[33]。該系統(tǒng)在減少攜帶有登革熱、寨卡等病毒的蚊類種群方面有巨大的應(yīng)用潛能。而基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)能將致死或者毒素因子快速引入到害蟲種群中，因此在入侵物種的防治方面也有著巨大的應(yīng)用潛能。轉(zhuǎn)基因技術(shù)在一些入侵物種中的成功應(yīng)用，推進(jìn)了其在入侵物種防治方面的應(yīng)用。特別是一些昆蟲，包括棉紅鈴蟲、美國(guó)白蛾等物種中已經(jīng)有轉(zhuǎn)基因成功的案例。為實(shí)現(xiàn)利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)進(jìn)行入侵物種的防治奠定了基礎(chǔ)。

在益蟲利用方面，浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院利用從俄羅斯引進(jìn)的性連鎖平衡致死系構(gòu)建了能夠?qū)ｐB(yǎng)雄蠶的家蠶品種（雄蠶品種比雌蠶品種能夠在效益上提升 15% 以上），并在生產(chǎn)應(yīng)用上有了一定推廣。為了更好地建立專養(yǎng)雄蠶的體系，譚安江等與 Oxitec 公司合作建立了家蠶雌性致死的新品系（圖 1）[34]。并且隨著家蠶遺傳轉(zhuǎn)化與基因組編輯平臺(tái)的優(yōu)化，新型的雄蠶品系研究正在不斷地向產(chǎn)業(yè)推出。

圖 1 家蠶性別特異控制體系[34]

4 總結(jié)與展望

面臨日益嚴(yán)峻的生物入侵問(wèn)題，除了不斷完善現(xiàn)有的綜合治理技術(shù)以外，還需要加強(qiáng)新技術(shù)的開發(fā)。新技術(shù)需要滿足多種要求。如，對(duì)入侵種以外的生物無(wú)害、不污染環(huán)境、能夠長(zhǎng)期發(fā)揮作用等。而遺傳調(diào)控技術(shù)將能夠基本滿足這樣嚴(yán)格的需求。外來(lái)入侵種本來(lái)就不是當(dāng)?shù)氐姆N類，它們進(jìn)入到入侵地后定居，將這樣的外來(lái)者移除對(duì)于入侵地不會(huì)產(chǎn)生特別的生態(tài)危害。針對(duì)入侵種采用遺傳調(diào)控技術(shù)所積累的理論和方法，無(wú)疑將服務(wù)于對(duì)其他入侵害蟲種類的種群調(diào)控。

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李芝倩中科院上海植物生理生態(tài)所助理研究員。主要從事利用遺傳轉(zhuǎn)化和基因組編輯技術(shù)進(jìn)行家蠶性別決定的遺傳調(diào)控研究，并將這些原理和方法應(yīng)用于其他鱗翅目昆蟲。相關(guān)研究成果以第一作者身份發(fā)表在 Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, International Journal of Biological Sciences, Insect Biochemistry and Molecular Biology 等雜志上。E-mail： lizhiqian@sibs.ac.cn

Li ZhiqianAssistant Professor of Shanghai Institute of Plant Physiology and Ecology, Chinese Academy of Sciences (CAS). She graduated from the Shanghai Institute of Plant Physiology and Ecology, CAS at 2015 and her supervisor was Professor Huang Yongping. Her researches cover the genetic regulation of insect sexual ration including silkworm and a few lepidopteran pests. The related research findings have been published in the international journals including Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, International Journal of Biological Sciences, Insect Biochemistry and Molecular Biology, and so on. E-mail： lizhiqian@sibs.ac.cn

黃勇平男，中科院上海植物生理生態(tài)所研究員。中國(guó)昆蟲學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)，昆蟲分子遺傳與昆蟲基因組領(lǐng)域?qū)＜摇Ｔ蝸喬瘜W(xué)生態(tài)學(xué)學(xué)會(huì)主席。主要研究領(lǐng)域包括：昆蟲性別決定的分子機(jī)理及其在種群遺傳調(diào)控中的應(yīng)用。

E-mail： yphuang@sibs.ac.cn

Huang YongpingMale, Professor of Shanghai Institute of Plant Physiology and Ecology, CAS. He is the Vice President of Chinese Entomological Society, and the expert of insect molecular genetics and genomics now. And he was the chairman of Asian-Pacific Association of Chemical Ecology. His current research interests include the molecular mechanism of insect sex determination and its application in population genetic management. E-mail： yphuang@sibs.ac.cn

Application of genetic regulation technique for invasive pest management

Li Zhiqian Chen Kai Yang Fangying Huang Yongping
（Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200032, China）

Biological invasion is defined as exotic species invading a new area naturally or artificially, thus bringing harm to the local ecological system. Since no natural enemies for the exotic species existed in the local ecological environment, population of the invasion species increases dramatically and destroys local ecological environment, biodiversity, and economy. Recently, frequency and hazard of biological invasion are increasing along with the globalization. However, the current controlling strategy for invasion species relies on physical and chemical methods largely, which brings severe pollution to the environment and living organisms. Therefore, developing of new method such as genetic regulation technique (GRT) of less labor-dependent and environmental friendly is urgently needed. Here we summarized the current situation of biological invasion in China and described the development of GRT method. It is our expectation that the information included in this paper will offer a general view for future biological invasion management.

biological invasion, integrated management, genetic regulation

*資助項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際（地區(qū)）合作與交流項(xiàng)目31420103918

**通訊作者

修改稿收到日期：2017年7月30日