呼吸代謝測量技術(shù)與農(nóng)作物病蟲害科學(xué)防治

2021.3.01

人類活動的全球化和全球氣候的變化使得病蟲害的爆發(fā)及傳播愈發(fā)頻繁和快速。作物病蟲害肆虐的地域不斷擴(kuò)散，造成一些發(fā)展中國家的農(nóng)作物和糧食安全面臨巨大風(fēng)險(xiǎn)。近年來國外的一些入侵害蟲如草地貪夜蛾等引發(fā)的蟲口奪糧戰(zhàn)引起國務(wù)院高度重視。害蟲防治過程中無論是采用生態(tài)控制、化學(xué)滅殺還是基因編輯技術(shù)控制其種群數(shù)量，都需要實(shí)時(shí)監(jiān)測害蟲生理過程（呼吸代謝），進(jìn)而開發(fā)出先進(jìn)的害蟲管理方法。

昆蟲呼吸代謝測量技術(shù)主要由三氣（氧氣、二氧化碳、水汽）分析儀、八通道氣路轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集器、呼吸室、活動檢測器、標(biāo)準(zhǔn)或高級版軟件等組成，可以連接8或16個(gè)或更多呼吸室進(jìn)行昆蟲的活動與呼吸代謝測量實(shí)驗(yàn)。下面將介紹一些典型應(yīng)用研究案例：

案例一玉米象

Guedes R N C , Oliveira E E , Guedes N M P , et al. Cost and mitigation of insecticide resistance in the maize weevil, Sitophilus zeamais[J]. Physiological Entomology, 2006, 31(1):30-38.

殺蟲劑耐藥性研究不僅在害蟲管理方案中具有實(shí)際重要性，而且作為新適應(yīng)的表型及其相關(guān)的生理（和遺傳）變化的進(jìn)化模型也很重要。氧氣消耗代表了昆蟲生理過程能量需求，可通過昆蟲的呼吸速率來證明昆蟲種群對不同環(huán)境條件的適應(yīng)性。昆蟲呼吸速率的變化有助于檢測與無殺蟲劑環(huán)境中的殺蟲劑耐藥性相關(guān)的可能適應(yīng)成本，以及在接觸有毒化合物時(shí)，生物體脂肪體形態(tài)能量儲備的可用性和動員力。

本研究結(jié)果表明玉米象種群殺蟲劑抗性與脂肪體細(xì)胞形態(tài)及呼吸頻率之間存在相關(guān)性，導(dǎo)致更高的儲存能量隨時(shí)動員起來抵抗殺蟲劑。此外，抗殺蟲劑的高能源需求可能會帶來額外的能源成本，從而阻止缺乏一個(gè)殺蟲劑的抗性表型固化，除非其儲存能量的能力動員他們的力量足以滿足潛在的相互沖突的生理過程需求（如抗藥性和發(fā)育）。

另外的研究見：Eugênio E.Oliveira,R N C.Guedes,?Marcos R.Tótola,?PauloDe MarcoJr.?Competition between insecticide-susceptible and -resistant populations of the maize weevil, Sitophilus zeamais.?Chemosphere,Volume 69, Issue1, August 2007, Pages 17-24.

Freitas R C P , Faroni, Lêda Rita D\"Antonino, Haddi K , et al. Allyl isothiocyanate actions on populations of Sitophilus zeamais resistant to phosphine: Toxicity, emergence inhibition and repellency[J]. Journal of Stored Products Research, 2016, 69:257-264.

案例二——大豆夜蛾

Angelica Plata-Rueda, Carlos Henrique Martins de Menezes, et al., Side-effects caused by chlorpyrifos in the velvetbean caterpillar Anticarsia gemmatalis (Lepidoptera: Noctuidae),Chemosphere,Volume 259,2020.

大豆夜蛾作為大豆作物害蟲，主要通過殺蟲劑防治。本文評估了毒死蜱對大豆夜蛾毒性、存活率和副作用（運(yùn)動行為、呼吸、食物消耗等）的影響。毒死蜱（LC50=0.58 g L-1和LC90=0.85 g L-1）對大豆夜蛾有毒殺效應(yīng)，并且LC50毒死蜱下存活率從對照99%降低到30%。殺蟲劑降低了呼吸速率、食物消耗量，改變了行為反應(yīng)以及中腸組織病變損傷。

類似的研究見Insecticidal activity of garlic essential oil and their constituents against the mealworm beetle, Tenebrio molitor Linnaeus (Coleoptera: Tenebrionidae). Sci Rep 7, 46406 (2017).

案例三——棉花粉蚧

Singh S , Gupta M , Pandher S , et al. Using de novo transcriptome assembly and analysis to study RNAi in Phenacoccus solenopsisTinsley (Hemiptera: Pseudococcidae)[J]. Scientific Reports, 2019, 9(1).

棉花粉蚧起源于北美，2005年在印度及巴基斯坦被發(fā)現(xiàn)，2010年快速擴(kuò)散到我國南方地區(qū)（見農(nóng)業(yè)部、國家林業(yè)局公告第1380號），對當(dāng)?shù)孛藁ㄉa(chǎn)造成嚴(yán)重危害。

???傳統(tǒng)的合成殺蟲劑易造成環(huán)境污染和害蟲耐藥性。文中通過RNAi對害蟲目標(biāo)基因進(jìn)行特定序列調(diào)節(jié)，從而導(dǎo)致重要生理過程功能喪失。生理過程功能監(jiān)測采用SSI呼吸代謝測量技術(shù)定性評估害蟲體液損失，技術(shù)方案中的部分配置如下圖：

（i）與GFP相比，對dSRNA注射（10μg）后AQP和CAL處理的粉蚧液體損失進(jìn)行定量和定性估計(jì)?；谒舾屑埖牧黧w損失定性估計(jì)，表明AQP和CAL中的藍(lán)點(diǎn)（液體損失較少）較少：（A）dsAQP注射（B）dsCAL注射（C）dsGFP注入（ii） RH-300水蒸氣分析儀，用于評估昆蟲的液體損失。（三）與dsGFP相比，dsAQP 注射后粉蚧釋放的定量液體排泄物。誤差條表示標(biāo)準(zhǔn)偏差（n=4）和*表示顯著性（P=0.05）。作者最新研究成果見：Kaur R , Gupta M , Singh S , et al. Enhancing RNAi Efficiency to Decipher the Functional Response of Potential Genes in Bemisia tabaci AsiaII-1 (Gennadius) Through dsRNA Feeding Assays[J]. Frontiers in Physiology, 2020, 11.

案例四——甘蔗天牛

Marion Javal,?Saskia Thomas,?Philipp Lehmann,?Madeleine G. Barton,?Desmond E. Conlong,?Anton Du Plessis, and?John S. Terblanche. The Effect of Oxygen Limitation on a Xylophagous Insect’s Heat Tolerance Is Influenced by Life-Stage Through Variation in Aerobic Scope and Respiratory Anatomy.?Front Physiol. 2019,10: 1426.

天牛分布于我國大部分地區(qū)，幼蟲蛀食枝干皮層、木質(zhì)部，引起枯枝死樹，危害蘋果、桃、柿、棗、栗、楊、柳、油桐等樹木。在氣候變化的背景下，昆蟲的地理范圍變化與一系列空間和時(shí)間尺度的氣候變異性密切相關(guān)，害蟲尤其如此。出于這些原因，熱極限估計(jì)至關(guān)重要，代表了害蟲關(guān)鍵特性的環(huán)境極限，如熱質(zhì)生物的活動、生存、發(fā)育和繁殖。

??本文利用SSI呼吸代謝測量技術(shù)探索了天牛的熱耐受性與氧氣限制之間的潛在聯(lián)系。結(jié)果表明，雖然幼蟲和成蟲在常氧下有類似的臨界熱最大值（CTmax），缺氧下成蟲的代謝率比幼蟲更顯著地降低，從而更顯著地減少前者的有氧范圍。通過實(shí)驗(yàn)操縱的氧氣水平在不連續(xù)氣體交換循環(huán)（DGC）和連續(xù)呼吸模式之間切換來表明，成蟲比幼蟲更一致地捍衛(wèi)氣管氧（臨界）設(shè)定點(diǎn)。這些影響可以解釋為，呼吸解剖的體積與成蟲的身體質(zhì)量呈正相關(guān)，但在幼蟲中明顯是大小不變的。因此，天牛的兩個(gè)生命階段在呼吸結(jié)構(gòu)和功能上表現(xiàn)出關(guān)鍵差異，可以解釋缺氧對上熱極限的影響程度。