我國外來入侵生物防控科技進展

陳潔君， 王 晶

中國生物技術發(fā)展中心，北京 100039

全球經(jīng)濟一體化的飛速發(fā)展使得國家/地區(qū)間經(jīng)濟、文化交流日益頻繁，這為外來物種入侵、定殖、傳播與擴散創(chuàng)造了有利條件(Hulme，2009； Turbelinetal.，2017; Wanetal.,2017)；同時，現(xiàn)代農業(yè)生產(chǎn)大部分依賴于物種資源引進與交換(司偉和周章躍，2007; 周海燕，2014)，這種在經(jīng)濟效益驅動下的有目的的生物資源共享加劇了外來生物入侵的危險性與破壞性，給全球帶來了更為嚴重的經(jīng)濟損失(李浩等，2007)。因此，防范外來生物入侵已成為全球21世紀農業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的共同問題，也成為21世紀五大全球性環(huán)境問題之一(萬方浩等，2009； Millennium Ecosystem Assessment，2005； Wan & Yang,2016)。

我國是一個農業(yè)大國，人口規(guī)模巨大、經(jīng)濟活動頻繁為外來物種的傳入創(chuàng)造了有利條件(鞠瑞亭等，2012)，加之我國地大物博、生態(tài)系統(tǒng)多樣化促進了入侵物種的定殖與擴散，致使我國成為飽受入侵物種危害最為嚴重的國家之一(李博和馬克平,2010)。農業(yè)外來入侵生物嚴重威脅我國的糧食安全、經(jīng)濟安全、生物安全、生態(tài)安全和農產(chǎn)品貿易安全，每年直接經(jīng)濟損失逾2000億元(中國新聞網(wǎng)，2017)?！笆濉逼陂g，中華人民共和國科學技術部啟動“生物安全關鍵技術研發(fā)”重點專項，針對我國當前面臨的各類重大入侵生物的威脅，按照基礎研究、共性關鍵技術與重大產(chǎn)品研發(fā)、典型應用示范3個層面，進行了一系列項目部署。本文將闡述這些科研項目取得的主要研究成果，以期為相關方面的研究提供參考。

1 基礎研究

1.1 揭示了入侵生物的入侵特性和入侵機理

以紫莖澤蘭EupatoriumadenophoraSpreng.、蘋果蠹蛾Cydiapomonella(L.)、松材線蟲Bursaphelenchuxylophilus(Steiner & Buhrer) Nickle、黃瓜綠斑駁花葉病毒Cucumbergreenmottlemosaicvirus等為研究對象，揭示了入侵生物“可塑性基因驅動”入侵特性和“蟲菌共生”入侵機理。在入侵特性方面，通過分析15年來100多個國家近百種物種間競爭替代的經(jīng)典案例，發(fā)現(xiàn)競爭替代是由入侵種和本地種生殖能力差異、寄主適應能力差異、生殖干擾等多個因子長期進化的結果；進一步從基因水平上研究發(fā)現(xiàn)，入侵種的進化特點為存在可塑性基因，包括發(fā)育基因高表達、抗性基因內含子變長、受體蛋白擴增、抗藥性神經(jīng)肽受體不敏感等適應性進化。在入侵機理方面，研究發(fā)現(xiàn)入侵生物協(xié)助致病病毒的垂直傳播，并通過加速媒介發(fā)育促進自身擴散，共生細菌調控入侵共生體的資源分配模式，以此為基礎從進化和生態(tài)的角度提出入侵昆蟲的“蟲菌共生入侵學說”(Gao & Reitz,2017; Xuetal.,2016; Zhaoetal.,2016; Zhouetal.,2017)。這些研究全面詮釋和完善了物種競爭取代理論，豐富了入侵生物學學科發(fā)展，為入侵生物的風險評估、預測預報、檢驗檢疫、綜合防治提供了新的思路。相關成果發(fā)表在NatureCommunications、ISMEJournal等期刊上。

1.2 揭示了入侵植物與脆弱生態(tài)系統(tǒng)的相互作用機制

通過在湖北、江蘇、安徽、廣東、廣西等8個省(自治區(qū))21個地點對美洲商陸PhytolaccaamericanaL.和加拿大一枝黃花SolidagocanadensisL.發(fā)生態(tài)勢的野外調查表明，土壤微生物在決定群落入侵性強弱中發(fā)揮著重要作用。對2014—2016年增溫加氮實驗數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)增溫對加拿大一枝黃花開花物候期和地上部分枯死期有明顯影響，這表明氣候變暖會增大加拿大一枝黃花的入侵風險。通過比較互花米草SpartinaalternifloraLoisel.原產(chǎn)地種群(美國)和入侵地種群(中國)對我國土著廣食性昆蟲素毒蛾Laelia取食抗性和耐性的影響，發(fā)現(xiàn)互花米草引入中國以后發(fā)生了防御進化。對5種外來入侵植物(瘤突蒼耳XanthiumstrumariumL.、三裂葉豚草AmbrosiatrifidaL.、粗毛牛膝菊GalinsogaquadriradiataRuiz et Pav. 、刺萼龍葵SolanumrostratumDunal.和反枝莧AmaranthusretroflexusL.)和4種本土植物[蒼耳XanthiumsibiricumPatrin ex Widder、黃花蒿ArtemisiaannuaL.、狗尾草Setariaviridis(L.) Beauv.和稗草Echinochloacrusgalli(L.) Beauv.]的菌根真菌侵染情況進行分析表明，入侵物種顯著改變了入侵地菌根真菌的組成和結構。相關成果已形成論文9篇，獲得1項實用新型專利。

2 關鍵技術與產(chǎn)品研發(fā)

2.1 研發(fā)了重大新發(fā)農業(yè)入侵物種風險評估及防控技術

針對大區(qū)域跨境傳播農業(yè)入侵生物和重大新發(fā)、突發(fā)農業(yè)入侵生物，如甘藍粉虱Allantuscinctus(L.)、長芒莧AmaranthuspalmeriS. Watson、葡萄蛀果蛾、福壽螺PomaceacanaliculataSpix、梨枯梢病、木爾坦棉花曲葉病毒CottonleafcurlMultanvirus、橡膠樹棒孢霉等，圍繞其發(fā)生、分布、危害等級、跨境傳播擴散方式與途徑，開展了入侵生物風險評估及防控關鍵技術研究。當前已收集200余種大區(qū)域農業(yè)入侵物種的生物信息，并構建了生物信息庫；研發(fā)了基于PCR的物種特異性快速分子檢測技術3項(張桂芬等，2013a,2013b; Zhangetal.,2014)，初步開展了主要入侵物種模板圖像特征分析與算法篩選；設計了1套風險評估數(shù)據(jù)處理方法，并開展了木爾坦棉花曲葉病毒隨寄主跨區(qū)域傳播及綜合風險的定量評估；獲得梨枯梢拮抗細菌菌株18株、殺螺高活性先導化合物2個；基于無機鹽對橡膠樹棒孢霉或粗毒素的抑制或鈍化作用，研制復配配方藥劑1種、不同施藥劑型配方4個；明確了不同地理種群長芒莧對主要除草劑草甘膦的抗性。相關成果已經(jīng)申請國家發(fā)明專利3項，發(fā)表學術論文7篇。

2.2 建立了生物威脅數(shù)據(jù)庫及生物入侵突發(fā)事件可視化智能決策支持平臺

針對生物入侵事件(紅火蟻SolenopsisinvictaBuren)、生物恐怖襲擊(生物氣溶膠)、突發(fā)傳染病疫情(禽流感、鼠疫)等3類突發(fā)生物威脅，建立了具有統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型的生物危害數(shù)據(jù)庫以及突發(fā)生物危害事件可視化智能決策支持平臺。數(shù)據(jù)庫內容涵蓋地理環(huán)境、社會人文、公共衛(wèi)生信息等要素，空間尺度包含局地、區(qū)域、全國(典型區(qū))3個，要素指標包含16大類40小類，數(shù)據(jù)量達650 GB；決策支持平臺基于GIS和網(wǎng)絡技術，集成了生物危害演變、評估和應急處置方法/模型50余個，實現(xiàn)了3類突發(fā)生物危害事件的2-3維動態(tài)可視化分析和決策支持功能。相關成果已發(fā)表SCI論文10篇，申報軟件著作權2項。

2.3 建立了重大入侵動植物的治理模式和技術體系

通過整理外來入侵物種的分布現(xiàn)狀、擴散格局、入侵路徑、潛在分布區(qū)等相關研究，提出需要重點管理和防范的外來入侵物種，為指導相關部門和地方進行外來入侵物種防控提供了依據(jù)，并支撐中華人民共和國環(huán)境保護部會同中國科學院于2016年12月發(fā)布的《中國自然生態(tài)系統(tǒng)外來入侵物種名單(第四批)》。圍繞加拿大一枝黃花、空心蓮子草Alternantheraphiloxeroides(Mart.) Griseb.、紫莖澤蘭、飛機草EupatoriumodoratumL.、鳳眼蓮Eichhorniacrassipes(Mart.) Solms、豚草AmbrosiaartemisiifoliaL.、少花蒺藜草CenchruspauciflorusBenth、巴西龜Trachemysscripta、紅火蟻等主要入侵物種，構建了基于生物防治和生態(tài)修復聯(lián)防聯(lián)控為核心的區(qū)域性持續(xù)治理技術新模式。其中，紅火蟻防控技術在我國南方多類生態(tài)區(qū)域防效達到96%～100%；空心蓮子草、豚草、少花蒺藜草等防控技術被行業(yè)部門評價為“技術高效、技術好用和基層會用”。相關成果已發(fā)表SCI論文22篇，申請發(fā)明專利8項，制定行業(yè)標準11項。

3 典型應用示范

建立了集科研、教學、科普一體化的現(xiàn)代化主要入侵生物標本資源庫。目前，資源庫已收集入侵動物資料共33963條，其中昆蟲類24660條，軟體動物374條，魚類4909條，兩棲爬行動物696條，獸類3324條。這些條目均包括標本的采集信息、鑒定信息、國內外分布情況、分種描述、物種分類地位、標本整體圖片和保藏位置等。另有2.5萬份入侵動物、植物和植物病原微生物等標本正在整理入庫。通過制定野外調查數(shù)據(jù)采集規(guī)范與數(shù)據(jù)質量控制規(guī)范，研發(fā)外來入侵生物野外調查軟件，開展一體化入侵生物數(shù)據(jù)庫及信息共享平臺的需求分析，實現(xiàn)了生物標本資源庫的一體化高效共享。此外，制定了互花米草生態(tài)控制工藝流程，并在上海崇明東灘互花米草生態(tài)控制工程中得到初步應用；制定了加拿大一枝黃花綜合防控技術體系試驗實施細則和操作流程；完成了基于生態(tài)位模型的刺萼龍葵風險區(qū)預測，并制成了刺萼龍葵在我國適生分布的專題圖(Huangetal.,2016; Lietal.,2017; Shangetal.,2015; Zhangetal.,2017)。

4 結語

全球經(jīng)濟一體化進程的不斷加快，國際貿易、國際旅游、大型活動的迅速發(fā)展，以及國家/城市間交通運輸?shù)亩鄻踊⒖旖莼途W(wǎng)絡化，加速了外來有害生物的傳播與擴散。生物入侵已成為與一個國家的經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)安全、國際貿易與政治利益緊密關聯(lián)的重大科學問題，也是國際社會、各國政府、科學家與民眾共同關心的社會熱點(丁暉等，2011; 侯有明等，2015)。針對我國的國情，以及當前面臨的各類重大生物威脅,應該采取一系列具有中國特色的外來入侵生物防控新策略(Wanetal.,2017； Wan & Yang,2016)。作者認為今后應以跨境動植物有害生物為主要目標，開展入侵擴散與成災機制、早期預防預警、快速檢測監(jiān)測、識別追蹤溯源、點面攔截狙擊、區(qū)域防災減災等技術研究，并在危害發(fā)生時有效、快速控制其發(fā)展，最大程度地降低危害效應，防范次生危害發(fā)生，及時啟動危害生境的恢復重建等。

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