我国水稻螟虫发生及治理研究进展

叶恭银, 方 琦, 徐红星, 吴顺凡, 滕子文,徐 刚, 党 聪, 熊时姣

(1. 浙江大学昆虫科学研究所，水稻生物育种全国重点实验室，农业农村部作物病虫分子生物学重点实验室，浙江省作物病虫生物学重点实验室，杭州 310058；2. 浙江省农业科学院植物保护与微生物研究所，农产品质量安全危害因子与风险防控国家重点实验室，杭州 310021；3. 南京农业大学植物保护学院，绿色农药创制与应用技术国家地方联合工程研究中心，南京 210095；4. 青岛农业大学植物医学学院，山东省植物病虫害综合防控实验室，中澳作物健康与入侵生物国家科技合作基地，中澳农业与环境健康联合研究院，青岛 266109；5. 扬州大学植物保护学院，扬州 225009；6. 杭州师范大学生命与环境科学学院，杭州 311121)

水稻作为世界性的粮食作物,是我国和世界许多国家的重要口粮之一。水稻在我国国民经济乃至世界经济中占有极为重要的地位,其高产与优质对保障我国国民经济与粮食安全具有极其重要的意义[1]。根据对全球粮食问题热点地区与病虫害密切相关的水稻生产损失进行的估算,平均损失水平为30.0%(变化在24.6%～40.9%间),而在我国平均损失可达32.2%[2]。据2016年的统计数据显示,导致我国水稻生产损失的最主要病虫害是水稻纹枯病和水稻螟虫,均占总体损失的8.75%[2]。20世纪90年代后期以来,受水稻品种、栽培耕作制度、害虫抗药性及全球气候变化等因素的影响,我国水稻主要产区连续多年遭受水稻螟虫的暴发为害[3]。尤其是2012年以来,这种暴发态势更为显著。水稻螟虫俗称水稻钻心虫,其种类主要有:鳞翅目草螟科的二化螟Chilosuppressalis、螟蛾科的三化螟Scirpophagaincertulas、台湾稻螟Chilotraeaauricilia、水稻褐边螟Catagelaadjurella,夜蛾科的稻蛀茎夜蛾(大螟)Sesamiainferens。目前则以二化螟和三化螟为害最为严重。其中,二化螟是亚洲、北非和南欧最重要的水稻害虫之一[4]。迄今,化学防治仍是防治水稻二化螟的主要方法。然而,二化螟已对许多化学杀虫剂产生了抗性,据估计每年控制这种害虫的成本约为1.6亿美元[5]。目前,该害虫已被列入农业农村部《一类农作物病虫害名录(2023)》[6]。水稻螟虫在我国已上升为水稻生产的头号害虫,其虫口密度高、年发生世代多、为害范围广、为害程度重、持续时间长、防治难度大、经济损失大、生态环境及社会成本高,给农业生产造成较大的经济损失,已成为制约我国水稻产业绿色健康可持续发展的重要因素之一[3,7]。本文重点以二化螟为例,就水稻螟虫发生与为害现状、抗药性演化、抗螟水稻种质资源挖掘与品种创制、水稻螟虫生理生化与毒理学研究及新型杀螟药剂研发、水稻螟虫寄生蜂资源及其利用,以及水稻螟虫生态调控技术等方面的近期主要研究成果作一综述,以期为全面了解我国水稻螟虫发生为害及其治理研究现状,并为水稻螟虫可持续控制与水稻绿色生产的实践提供依据。

1 水稻螟虫发生与为害现状

水稻螟虫是我国水稻生产中重要的钻蛀性害虫,它在水稻苗期及分蘖期可造成枯心,在孕穗期可造成枯孕穗,在穗期造成白穗、瘪谷及虫伤株,严重影响水稻产量与品质。为害程度轻者导致水稻产量损失10%,重者可损失30%以上,甚至导致颗粒无收[8]。就水稻螟虫的田间种群结构而言,我国不同稻区以二化螟和三化螟为主要害虫。其中,北纬27°～32°、东经103°以东地区是二化螟的主要重发生区;而三化螟则主要重发于广西中部、福建西南局部、湖北东局部、江西东北局部等稻区[9]。从食性上来说,三化螟属于单食性害虫,仅取食水稻;而二化螟和稻蛀茎夜蛾则为多食性害虫,除主要取食水稻外,也取食小麦、大麦、油菜、蚕豆、玉米、高粱、茭白、甘蔗等作物,以及稗、看麦娘等杂草[8]。

就我国不同稻区而言,水稻螟虫为害以华中稻区为重,发生面积较大;而西南稻区、东北稻区和华北稻区的二化螟较其他水稻害虫发生面积大,年均发生面积分别达到246.34万hm2次、67.16万hm2次和45.04万hm2次,明显高于相应稻区内三化螟、稻纵卷叶螟、褐飞虱、白背飞虱和灰飞虱5种害虫发生面积[1]。二化螟主要分布于我国长江流域及其以南主要稻区,特别是在沿海、沿江平原地区为害最为严重。在2006年至2015年期间,二化螟所造成的水稻实际总损失量达502.46万t,仅次于稻飞虱(1 309.79万t)和稻纵卷叶螟Cnaphalocrocismedinalis(706.75万t)[10]。在以广东为主的华南稻区,水稻螟虫种类一直以三化螟为主,但其发生呈逐年减轻趋势;稻蛀茎夜蛾及台湾稻螟的分布范围较窄,仅呈零星发生状态。而二化螟主要分布于粤北和粤东部分稻区,且呈逐年上升趋势,在部分稻区已成为优势种群[11-12]。而在以湖北为主的华中稻区,田间水稻螟虫的发生种类主要为二化螟、三化螟和稻蛀茎夜蛾,未见有台湾稻螟和水稻褐边螟。其中,二化螟为田间优势种群,三化螟仅在部分地区零星发生,而稻蛀茎夜蛾在部分地区亦有一定程度发生,并呈加重趋势[13]。

自1970年以来,我国农作物病虫害发生率整体呈大幅上升趋势,从53%增加到218%,整体增加了约4倍(1970年-2016年数据)[14]。据2010年-2020年间数据分析,发现我国主要水稻产区(除东北稻区外)的年均害虫发生总面积与播种面积比值均超过1.00,其中华中稻区的比值最高,达2.59[1]。全国农业技术推广服务中心组织各省(区、市)测报技术人员和有关专家进行会商,结合水稻病虫基数、水稻栽培管理和品种布局、今冬明春气候条件等因素综合分析,预计2023年全国水稻病虫害将呈偏重发生态势,发生面积将达7 733万hm2次。其中,虫害发生面积5 333万hm2次,二化螟将呈偏重发生[15]。纵观我国水稻螟害的发生历史,其发生规律亦随时间变迁在不断变化。20世纪50年代初,我国水稻种植制度基本是单季或间作,大部分地区的螟害以二化螟为主。20世纪60年代前后,随着双季稻在主产稻区的逐步推广,三化螟普遍大量发生。随后,在完全实现双季稻的地区,三化螟数量下降,二化螟也随之减少,因此20世纪70年代我国水稻螟害轻微。进入20世纪80年代,随着单季稻和杂交稻的推广,二化螟迅速回升,尤其在长江以北的广大单季稻区扩展得尤为迅猛。20世纪90年代,我国稻螟灾害迅速接近和超过历史最高水平,其中二化螟灾害尤为严重[3, 16-17]。在2003年至2013年这十年间,水稻螟虫为害及其对水稻所造成的损失基本维持在较低水平,水稻螟害控制较为有效[8]。然而,据全国农业技术推广服务中心水稻病虫害情报及相关数据显示,自2013年至今,因水稻螟虫对化学杀虫剂抗性的不断增强,主推水稻品种对螟虫抗性较弱,水稻种植、栽培及管理模式变化以及气候变化等因素影响,导致水稻螟虫的为害始终维持在持续暴发水平,部分年份为害程度及水平甚至超过20世纪90年代末至21世纪初的程度及水平。那么,造成水稻螟虫发生规律演变的原因何在?在收集整理浙江嘉兴市近70年水稻耕作制度和螟虫发生为害资料的基础上分析水稻耕作制度对螟虫发生为害的影响,发现单双季混栽类型对水稻螟虫发生为害最有利,其次是纯双季稻类型,最为不利的是纯单季稻类型[8]。因此,螟虫发生和为害与水稻耕作制度及栽种时期、栽种方式等密切相关。揭示水稻耕作制度演变与螟虫发生为害之间的关系,对有效控制水稻螟虫为害具有重大意义[8]。

2 水稻螟虫的抗药性演化

2.1 对氯虫苯甲酰胺的抗性

氯虫苯甲酰胺(chlorantraniliprole)是2000年研发的一种对鳞翅目害虫具有良好防效的第一代鱼尼丁受体(ryanodine receptor, RyR)调节剂。其2010年开始被登记用于二化螟的田间防控,取得了优良效果,然而由于不科学使用,局部地区二化螟种群已对氯虫苯甲酰胺产生了高水平抗性。2022年对田间二化螟监测结果显示,监测地区二化螟种群对双酰胺类药剂氯虫苯甲酰胺为敏感至高水平抗性(抗性倍数0.9～710.0倍),高抗种群占比78.6%[18]。Xu等在室内连续筛选25代获得了二化螟抗氯虫苯甲酰胺品系WHR(82.37 倍),发现组成型P450基因的表达上调可介导二化螟对氯虫苯甲酰胺的抗性[19]。Meng等通过增效剂试验表明,ABC转运蛋白(ATP-binding cassette)基因ABCC8、ABCG1C和ABCH1在经氯虫苯甲酰胺处理的二化螟幼虫体内显著上调表达[20]。另有研究发现ABCA1、ABCD2和ABCH2在3种抗氯虫苯甲酰胺二化螟品系R1、R2和HR中共同表达上调,以上研究结果表明,ABC转运蛋白可能参与二化螟对氯虫苯甲酰胺的代谢抗性[21]。Zhao等借助增效剂试验发现,5-硝基脲嘧啶和硫吡唑酮处理可显著提高氯虫苯甲酰胺对二化螟幼虫的毒力,UGTs(UDP-glucuronosyltransferases)的过表达与二化螟对氯虫苯甲酰胺的抗性有关[22]。研究表明,靶标突变是害虫对氯虫苯甲酰胺产生抗性的主要原因。目前,二化螟中的鱼尼丁受体突变位点有: I4758M、Y4667D/C、G4915E、Y4891F。Yao等监测到2014年余姚种群(YY14)对氯虫苯甲酰胺的抗性倍数为77.6倍,对鱼尼丁受体跨膜结构域测序发现了G4910E点突变,其突变频率为23.75%[23]。Sun等在连续筛选30代的抗氯虫苯甲酰胺二化螟种群中发现了一个新的突变Y4667D,其突变频率为97.4%,保守突变(I4758M)和新突变(Y4667D/C)在介导二化螟对氯虫苯甲酰胺的抗性中起着重要作用[24]。之后,Huang等分析了2016年-2018年我国7个省份二化螟对氯虫苯甲酰胺的抗性状况,结果显示存在I4758M、Y4667D/C、G4915E和1个新的Y4891F RyR点突变[25]。2019年对我国7个省份28个二化螟种群对氯虫苯甲酰胺的抗性水平的调查结果显示,与敏感种群相比,抗性水平为311.9～2 060.1倍;同时,对RyR突变位点进行分析显示:I4758M、Y4667D、Y4667C和Y4891F位点突变存在于对氯虫苯甲酰胺具有不同抗性水平的二化螟种群中;此外,研究发现I4758M与Y4667C双突变能介导二化螟对氯虫苯甲酰胺产生更高水平的抗性[26]。

2.2 对阿维菌素的抗性

阿维菌素(abamectin)在防治二化螟上发挥了重要作用,但自2004年以来,部分稻区相继报道了二化螟对阿维菌素产生了抗性[27-28]。目前二化螟种群对阿维菌素为敏感至高水平抗性(抗性倍数0.6～386.6倍)[29]。ABC转运蛋白抑制剂维拉帕米可显著提高阿维菌素对二化螟的毒力,其中3种ABC转运蛋白基因ABCC8、ABCE1和ABCH1可能参与了二化螟对阿维菌素和其他几种杀虫剂的解毒和转运[30]。经阿维菌素处理的二化螟幼虫体内存在16个谷胱甘肽巯基转移酶(GSTs)基因表达上调(1.7～14.6倍),其中的4个GSTs基因(GSTe2、GSTe4、GSTo4和GSTu1)在解毒代谢相关组织如中肠和脂肪体中显著上调表达,表明GSTs基因表达上调与二化螟对阿维菌素的解毒代谢相关[31]。

2.3 对甲氧虫酰肼的抗性

甲氧虫酰肼(methoxyfenozide)是第2代双酰肼类昆虫生长调节剂[32],由美国罗姆-哈斯(现陶氏益农)公司1990年发现,对鳞翅目害虫非常有效[33-36]。研究表明,二化螟对甲氧虫酰肼具有较高的抗性风险,而且对甲氧虫酰肼产生抗性的田间二化螟种群与其他双酰肼类杀虫剂存在明显的交互抗性;用亚致死剂量甲氧虫酰肼处理二化螟,会导致幼虫发育历期延长,化蛹率和产卵率均显著降低,表明甲氧虫酰肼处理可显著降低二化螟的适合度[37]。田间监测结果表明,2016年我国浙江二化螟田间种群已对甲氧虫酰肼产生了中等水平抗性[38]。

2.4 对三唑磷的抗性

有机磷类杀虫剂三唑磷(triazophos)在20世纪90年代后期被应用于水稻螟虫的防治,2001年至2006年监测发现,浙江、江苏、江西和湖南等部分地区二化螟种群对三唑磷分别产生了低至高水平的抗性[39-40]。据2022年检测结果显示,二化螟种群对有机磷类药剂三唑磷、毒死蜱为敏感至中等水平抗性(抗性倍数分别为1.3～38.6倍)。二化螟对三唑磷的抗性机制中,AChE的敏感性降低起主要作用[18]。Zhao等监测到四川多地田间二化螟种群对三唑磷表现出中等水平的抗性(23.9～83.5倍)[41];增效剂试验表明,二化螟XW19品系对三唑磷的抗性可能与细胞色素P450有关;进一步通过定量PCR分析发现,CYP324A12、CYP321F3和CYP9A68在XW19品系中上调表达。Jiang等从抗三唑磷的二化螟中发现氨基酸突变A314S与抗药性相关,突变频率为32.5%～100%[42]。

2.5 对克百威的抗性

在二化螟中,Dai等利用Bac-to-Bac系统表达8个乙酰胆碱酯酶1(CsAChE1)突变体(含A314S、R667Q和H669P的不同组合),发现A314S位点突变能使CsAChE1突变体对克百威(carbofuran)的抗性增加10.6倍,且R667Q位点突变赋予了野生型和A314S位点突变的乙酰胆碱酯酶活性增加的能力[43]。Chang等发现二化螟抗性种群CH(彰化Changhua)、CY(嘉义Chiayi)的乙酰胆碱酯酶(AChE)置换频率明显高于敏感种群HC(新竹Hsinchu),且两个抗性种群对克百威不敏感,其次虽然来自CH和CY种群的乙酰胆碱酯酶的Km和Vmax降低到敏感种群HC的72%～87%,但总体催化效率(Vmax/Km)在所有3个种群中保持不变[44]。以上结果表明,二化螟乙酰胆碱酯酶的氨基酸替换与乙酰胆碱酯酶动力学的改变及其对克百威的抗性有关。

3 抗螟虫水稻种质资源挖掘与品种创制

3.1 种质资源的挖掘

从传统水稻种质资源中挖掘抗螟虫水稻被认为是最经济、持久、绿色的螟虫防治方法。从20世纪60年代开始,国际水稻所在超过2万份水稻品种中鉴定出‘TKM6’‘Chianan 2’‘Taitung 16’等30余份对二化螟中等抗性的水稻材料,但是没有发现高抗的材料[45]。我国抗二化螟水稻品种鉴定始于20世纪80年代,周祖铭对国内农家品种、国外引种、杂优三系材料等共3 812个水稻品种进行二化螟抗性鉴定,发现‘B-辐A’和‘IR40’对二化螟具有较强抗性,‘WI263’‘红米冬粘’等14个材料为中抗品种[46]。随后在对江苏省主栽水稻品种的抗螟性鉴定中发现‘镇稻2号’‘镇稻88’‘武复粳’等10余个中抗材料[47-48]。在江西省344个水稻品种资源和当家品种中筛选出‘碑田倒’和‘银间杂糯’2个抗二化螟品种[49]。从湖南省种植面积较大的15个晚稻品种中筛选出‘S46’‘T111’‘T优207’等7个高抗品种[50]。在38个东北稻区种植较为广泛的水稻品种和8个杂草稻中筛选到‘1688’和‘1654’两个具有较好二化螟抗性的水稻品种[51]。通常认为粳稻的抗螟性好于籼稻,然而刘光杰等评价了2个常规籼稻和2个杂交籼稻品种对二化螟的抗性,虽未发现高抗二化螟的品种,但是灿稻‘中1061’对二化螟的耐虫性最强[52];李永洪等发现籼稻‘A232’在室内和田间均表现出对二化螟的中等抗性[53]。

目前,从传统种质资源中筛选到的抗二化螟水稻材料还比较少,利用这些种质资源培育出的抗二化螟水稻更是十分有限。已有研究报道,水稻对二化螟的抗性主要与水稻植株的形态特征(高矮、茎粗细和叶片宽度、厚度等)、组织学特性(厚壁组织宽厚、薄壁组织细胞密度、气孔大小、硅细胞密度、硅质化程度等)、生理生化特性(总糖、碳水化合物含量、氨基酸含量等)及环境因子(硅酸盐、磷、钾肥料等)紧密相关[54-57]。根据这些特征,未来需要育种学家与昆虫学家协同合作,发现更多的抗二化螟基因并应用于水稻育种实践中。

3.2 抗螟虫转基因水稻的研究

转基因技术的发展为抗螟虫水稻的培育开辟了新的途径。有研究报道,如果转基因抗虫水稻大面积种植,将会有效控制水稻螟虫的为害,减少化学杀虫剂的使用,增加农民的收入[58]。我国自1989年获得首例转Bt(Bacillusthuringiensis)基因抗虫水稻以来,有关高抗螟虫的Bt水稻种质创制一直处于国际领先地位。杨虹等将来自于Bt亚种Aizawai7-29的δ-内毒素基因采用聚二乙醇法导入到粳稻‘台北309’的原生质体中,首次得到转Bt基因水稻植株[59]。之后有一系列转Bt基因水稻问世,这些水稻品系大部分通过农杆菌介导法、基因枪法等转化方法将Bt基因导入,表达Cry1A,Cry1C,Cry2A或Cry1Ab/Vip3H等Bt蛋白,在室内和田间试验中表现对包括二化螟在内的多个水稻鳞翅目害虫的高度抗性[60-62]。随着转基因技术的发展,双基因或多基因可以同时转入到水稻植株内获得多性状复合的转基因作物。朱祯将cry1Ac基因和豇豆胰蛋白酶抑制剂基因cpTI进行融合后转入水稻植株,获得更高效的抗螟虫转基因水稻[63],王爱菊等将cry1Ab基因和Xa21基因转入水稻获得抗螟虫抗白叶枯病转基因水稻[64]。

当二化螟取食表达Bt蛋白的转基因水稻后,Bt蛋白进入其肠道中经蛋白酶水解成小肽,结合到中肠上皮细胞膜的特异性受体上,使细胞通透性发生变化,进而导致其死亡[65]。基于该杀虫机制,稻田非鳞翅目昆虫中肠没有可以与Bt蛋白结合的特异性受体,因此Bt抗虫水稻不会对稻田非鳞翅目昆虫产生影响[66]。然而,由于Bt抗虫水稻可以显著降低稻田包括二化螟在内的多种水稻螟虫的数量,并减少了农药使用量,可能改变稻田节肢动物群落的生态位,因此对Bt抗虫水稻开展系统全面的环境安全性评价很有必要[67]。同时,如果二化螟连续多代取食表达Bt蛋白的转基因水稻,其也可能会对该转基因水稻产生抗性,进而造成抗虫能力下降[68]。因此,在培育抗螟虫转基因水稻时,也需要评价其对靶标生物的敏感性基线和抗性风险,并制定抗性监测方案和治理措施等。

近年来,利用反向遗传学的手段发现了一些新的抗二化螟基因,并获得了新型转基因抗虫水稻。通过研究二化螟取食后水稻的基因功能,发现在水稻中过表达乙烯信号转导基因OsERF3、丝裂原活化蛋白激酶基因OsMPK4、转录因子WRKY70等增强了水稻的茉莉酸、水杨酸及胰蛋白酶抑制剂等防御通路,进而显著提高了水稻对二化螟的抗性[69-71]。将二化螟脂肪酰基还原酶基因FAR的dsRNA转入水稻中,在室内和田间均表现出对二化螟较好的抗性[72]。水稻中表达二化螟的miR-15显著延缓了二化螟的发育历期[73],类似地,转二化螟miR-14、Csu-novel-260等miRNA的水稻对二化螟也具有较强的抗性[74-75]。随着更多水稻或二化螟的功能基因的解析,将会出现更多的新型抗螟虫转基因水稻。

4 螟虫生理生化与毒理学研究及新型杀螟药剂研发

4.1 二化螟基因组及功能基因

随着组学技术的快速发展,二化螟基因组数据库ChiloDB得以构建[76],而后完成了二化螟染色体水平基因组组装[77]。另外,获得了二化螟神经系统[78]、触角[79]、中肠[80]和信息素分泌腺[81]等,及二化螟被寄生[5]、高温胁迫[82]和农药处理[33,83]后的转录组信息,为二化螟功能基因的研究奠定了基础。基于组学数据,二化螟的P450[84]、几丁质酶[85]、UDP葡萄糖基转移酶[22]、ABC转运蛋白[20]、谷胱甘肽S-转移酶[31]和表皮蛋白[86]等基因家族被鉴定,这些为各基因家族的功能解析提供了数据支撑。

4.2 二化螟神经生物胺受体

生物胺,如章鱼胺(octopamine,OA)、酪胺(tyramine,TA)、多巴胺(dopamine,DA)和5-羟色胺(serotonin)等,是化学突触传递中的神经递质,通过特异性地结合相关的生物胺受体,调控不同的生理与行为过程。通过构建二化螟不同生物胺受体的表达载体,将其在真核细胞系(HEK-293或CHO-K1)中稳定异源表达,解析了其药理学性质,包括章鱼胺受体CsOA1[87]、CsOA2B2[88]和CsOA3[89],酪胺受体CsTA1[90]和CsTA2[91],多巴胺受体CsDOP1、CsDOP2和CsDOP3[92]、CsOA2B2和CsDOP1偶联Gs蛋白引起胞内cAMP含量的上升[88,92];而CsOA3、CsTA1和CsDOP3偶联Gi蛋白导致cAMP下降[89-90,92];CsTA2偶联Gq蛋白引起胞内Ca2+浓度上升[91];CsOA1和CsDOP2同时偶联Gq和Gs蛋白导致胞内Ca2+和cAMP均上升[87,92]。二化螟生物胺受体不仅在神经行为调控中发挥关键作用,如CsOA2B2调控运动行为[88],而且还可能参与了免疫反应。发现CsOA1、CsTA2和CsDOP1在二化螟的血细胞中有表达[90-91,93],CsOA1可能参与调控血细胞的延展和吞噬[87],CsTA2调控血细胞的延展[91],而CsDOP1调控血细胞的吞噬[93]。

4.3 二化螟离子通道

昆虫离子通道是细胞膜上的一种成孔蛋白,主要有配体门控通道和电压门控通道两大类,配体门控通道主要有乙酰胆碱受体、谷氨酸门控离子通道和γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid, GABA)受体等,电压门控通道主要包括钙离子通道、钾离子通道和钠离子通道等。Xu等在二化螟中鉴定到了12个烟碱型乙酰胆碱受体(nicotinic acetylcholine receptor,nAChR),其中9个α型、3个β型,并通过定量PCR研究了其在不同组织和不同发育阶段的表达谱[94]。Meng等在二化螟中克隆和分析了谷氨酸门控氯离子通道(glutamate-gated chloride channel,GluCl)基因的3个亚型(CsGluCl-A、CsGluCl-B和CsGluCl-C),干扰CsGluCl会导致二化螟幼虫对阿维菌素(abamectin)的敏感性增强,以及减缓幼虫生长和降低羽化率[95]。Sheng等研究了二化螟GABA受体基因的2个亚型CsRDL1(resistant to dieldrin)和CsRDL2,通过将其在非洲爪蟾Xenopuslaevis卵母细胞中表达,发现第二个跨膜区的2′位置的丝氨酸能影响RDL对地特灵(dieldrin)的敏感性,但不会改变对氟雷拉纳(fluralaner)和氟虫腈(fipronil)的敏感性[96];Meng等通过RNAi技术干扰CsRDL1和CsRDL2的表达,发现能显著降低二化螟幼虫对阿维菌素的敏感性[97]。Jia等鉴定到另外2种GABA受体基因的亚型CsLCCH3和Cs8916[98]。Huang等发现Cs8916可与CsLCCH3相互作用激活对多种杀虫剂敏感的阳离子选择通道[99]。Peng等克隆了二化螟钙离子通道蛋白鱼尼丁受体基因,发现了新的可变剪接位点,且注射氯虫苯甲酰胺(chlorantraniliprole)能显著刺激幼虫的RyR表达[100]。Meng等克隆了5个钾离子通道基因(CsKir1、CsKir2A、CsKir2B、CsKir3A和CsKir3B),干扰CsKir2B显著减缓二化螟幼虫的生长发育、提高其死亡率,而干扰CsKir2A没有明显的效应[101]。

4.4 二化螟神经肽及受体

在昆虫中,神经肽可以通过特异地结合相应的神经肽受体调控各种生理与行为过程。Xu等[102]在二化螟中鉴定到了43个神经肽基因,并发现allatostatin CC,CCHamide 1和short neuropeptide F存在可变剪接体;同时,还鉴定到51个神经肽受体基因,明确这些神经肽信号通路基因在二化螟的中枢神经系统、脂肪体、肠道和血细胞中均有表达,其中大部分在中枢神经系统特异高表达。

4.5 二化螟的基因编辑

2013年首次采用基因编辑技术CRISPR/Cas9在真核细胞中成功实现了基因编辑[103],2019年,Dong等首次在二化螟中通过CRISPR/Cas9成功构建了信息素结合蛋白基因CsPBP1和CsPBP3的敲除突变体,触角电位反应表明CsPBP1的纯合突变体对性信息素的电生理反应比CsPBP3降低得更加显著[104]。Sun等借助CRISPR/Cas9技术,把sgRNA/Cas9蛋白注射到二化螟新产的卵中,靶向敲除了Csebony基因,导致幼虫、蛹以及成虫黑色素沉积[105]。Sun等利用sgRNAs/Cas9技术敲除了脂肪酰辅酶A还原酶CsFAR,并导致二化螟的死亡率显著上升[72]。Zeng等通过CRISPR/Cas9敲除了几丁质合成酶基因CsCHS1和CsCHS2,其中CsCHS1的敲除显著降低了二化螟的卵孵化率、幼虫存活率、化蛹率和羽化率,而CsCHS2的敲除只降低了幼虫存活率[106]。这些研究表明,CRISPR/Cas9技术能在二化螟中成功应用,可为二化螟的功能基因组学研究提供有效的遗传学工具。

4.6 杀螟新药剂环丙氟虫胺研发

环丙氟虫胺(cyproflanilide)是泰禾国际公司近年来研发的新型杀虫剂,其作用机制新颖,杀虫谱广,尤其对水稻二化螟具有优异的防效,且与现有防治二化螟的药剂无交互抗性,可以有效解决抗性区域二化螟无药可治的痛点,未来可能在二化螟化学防控中扮演重要角色,其具体的作用靶标和靶点还有待进一步解析[107-108]。

5 螟虫寄生蜂资源及其利用

5.1 寄生蜂资源概况

据统计,水稻钻蛀性螟虫有302种寄生性天敌,这些天敌主要属于茧蜂科、姬蜂科和赤眼蜂科等,其寄生时期跨越稻螟虫的各个发育阶段[109-110]。其中二化螟天敌资源较为丰富,包括寄生性天敌2目10科55种,含寄生蜂1目8科49种;捕食性天敌2纲4目9科23种。近年来,水稻螟虫天敌资源的调查主要集中于寄生性天敌,对于捕食性天敌的调查较为缺乏。同时,对稻螟虫的天敌利用也主要采用寄生蜂,尤其是赤眼蜂科的松毛虫赤眼蜂Trichogrammadendrolimi、螟黄赤眼蜂T.chilonis和稻螟赤眼蜂T.japonicum,防治对象以二化螟为主[111-113]。对水稻螟虫天敌的种类、发生动态及规律的调查研究是分析天敌控害潜能和挖掘优质天敌资源的基础[114]。在稻螟虫天敌的田间调查中,寄生蜂的种类及其寄生率是研究的重点。其中,越冬代螟虫的寄生情况关系到来年种群基数,因此受到更多关注[115]。二化螟越冬代幼虫寄生蜂的调查最为常见[116-119]。相比于二化螟,其他水稻螟虫的寄生蜂种类和调查研究都相对较少[114,120]。稻螟虫的捕食性天敌调查比较缺乏。浙江金华稻田中,鉴定到的二化螟天敌分属5目22科,共38种,捕食性天敌主要有锥腹肖蛸Tetragnathamaxillosa和食虫瘤胸蛛Oedothoraxinsecticeps;温岭稻田中,二化螟天敌则分属3目10科,共14种,少于金华稻田,主要捕食性天敌除了食虫瘤胸蛛,还有驼背额角蛛Gnathonariumgibberum和三突花蛛Misumenopstricuspidatus[121]。可见,近十年来,对稻螟虫天敌的田间调查,主要集中于二化螟越冬幼虫的寄生率和寄生蜂种类,对其他稻螟虫的天敌尤其是捕食性天敌的调查明显不足。同时,田间调查的结果展示了不同地域稻螟虫天敌种群的多样性,为挖掘适宜当地生态条件的寄生蜂资源提供了宝贵的数据支持。

5.2 寄生蜂资源利用

5.2.1蜂种筛选

选择合适的蜂种和品系是成功利用寄生蜂进行稻螟防治的关键。在种群筛选的过程中,寄生蜂的寄主选择特性、寄生能力和环境适应性等是重要的评价指标。寄主选择特性的研究包括寄生蜂对挥发物的识别[122]、对寄主种类[123]和日龄的偏好[124]等。Liu等研究发现,虽然二化螟幼虫为害或成虫产卵均可诱导水稻释放大量挥发物以吸引稻螟赤眼蜂,但是当褐飞虱Nilaparvatalugens加入为害同一株水稻时,水稻挥发物的组分及含量也发生了改变,显著降低了对稻螟赤眼蜂的吸引作用,二化螟卵的寄生率也显著下降。该研究不仅拓展和深化了“生态位分异理论”的内涵,更为在复杂田间生态环境中利用寄生蜂防治靶标害虫提供了新的视角[122]。寄生蜂的寄生能力,尤其是在高温逆境下的寄生能力,是影响其稻田寄生效果的重要生物学特征[125-126]。田俊策等对稻螟赤眼蜂南北种群的高温适应性进行了评估,结果显示,高温(32、36℃)条件下,南方种群对中间寄主米蛾Corcyracephalonica卵的寄生力显著高于北方种群。因此,认为南方种群相比于北方种群,更适用于南方稻区的害虫防治[127]。Guo 等评价了湄公河次区域中3个螟黄赤眼蜂品系和2个玉米螟赤眼蜂Trichogrammaostriniae品系,结果显示,后者在该区域内高温条件下无法顺利完成生长发育,因此,3个螟黄赤眼蜂品系是当地更好的生防蜂种[128]。

5.2.2蜂种储藏

货架期短是影响寄生蜂田间应用的重要问题,延长货架期是蜂种储藏技术研究的重点。近年来,我国科研工作者主要通过低温储藏和滞育诱导等方式,探索了不同稻螟虫寄生蜂的最佳储藏条件,以延长其货架期[129]。低温储藏是解决二化螟盘绒茧蜂Cotesiachilonis货架期的主要手段[130]。研究表明,二化螟盘绒茧蜂幼虫[131-132]、蛹[133]和成虫[130]均可适当冷藏以延长货架期,但都有一定时长限制,否则会对该蜂羽化率等生理指标产生负面影响。二化螟盘绒茧蜂蜂茧经过适当冷藏后,羽化的成蜂耐高温能力有一定程度的提高[133]。另外,稻螟赤眼蜂[134-136]、螟黄赤眼蜂[137]和松毛虫赤眼蜂[137-138]等都可通过冷藏的方法延长货架期。上述寄生蜂冷藏时长有所差异,但一般不超过30 d。利用滞育的特性可成功延长赤眼蜂的保存时间[129,139]。滞育的诱导受多种因素影响[129,138-139]。时亚东等研究了光周期、诱导始期、诱导温度和诱导历期等对稻螟赤眼蜂滞育的影响,并得到诱导滞育率超过95%的条件: 光周期L∥D=8 h∥16 h下繁育的赤眼蜂种群,寄生后12 h,在13℃下诱导28 d 或35 d,或者寄生后发育 24 h,在10℃或13℃下诱导35 d[129]。该研究填补了以米蛾卵为寄主的稻螟赤眼蜂滞育诱导研究之空白。研究表明,不同赤眼蜂种类、地理种群或品系的赤眼蜂的滞育特征可能存在很大不同,因此在进行赤眼蜂滞育诱导时,要充分考虑不同因素的影响,以得到最佳诱导条件[129,139]。

5.2.3放蜂及其效果评价

传统的赤眼蜂应用主要依靠淹没式释放,以人工在田间悬挂蜂卡等方式进行,效率低下,成本渐涨。近年来,植保无人飞机快速推广应用,利用其投放赤眼蜂球防治水稻螟虫,具有防治面积大、释放效率高和成本低等显著优势,正受到越来越多的关注[140]。湖南省永州市零陵区的植保无人飞机放蜂结果表明,稻螟赤眼蜂和螟黄赤眼蜂释放区二化螟的防效分别达83.22%和80.05%[140]。辽宁铁岭市昌图县两家子农场开展无人飞机同时释放赤眼蜂的结果表明,无人飞机释放稻螟赤眼蜂、松毛虫赤眼蜂和螟黄赤眼蜂对水稻二化螟的防效为73.52%,具有显著的经济效益和生态效益[141]。

田间放蜂效果评价是衡量寄生蜂实际应用最重要和最终的指标,主要以检测水稻螟虫的寄生率和水稻受害情况为主,进而计算防治效果。此标准下,科研人员在不同区域、采用不同方法进行了大量的稻螟寄生蜂田间释放,并对效果进行了评价。释放的寄生蜂以赤眼蜂为主,其中又以松毛虫赤眼蜂、螟黄赤眼蜂和稻螟赤眼蜂最多。防治对象以二化螟为主[142-143]。Fan等在此基础上,拓展了评价范围,检测了稻田螟甲腹茧蜂Chelonusmunakatae防治二化螟过程中,温室气体(一氧化二氮和甲烷)的排放量,认为其在可接受范围内,进而得出结论,释放该蜂是一种有效的且环境友好的生防手段[144]。

6 螟虫生态调控技术

害虫生态调控是基于“预防为主、生态优先、整合治理、精准施策”原则进行调节与控制,将害虫控制在经济阈值水平之下的策略[145]。诱集植物是指对目标害虫引诱作用明显高于主栽作物,从而保护主栽作物免受害虫为害的植物,往往用来作为田间功能植物[146-147]。本节综述了以诱集植物香根草合理布局为重要内容的水稻二化螟生态调控及综合防控模式。

6.1 香根草对二化螟的诱杀作用机制

香根草Chrysopogonzizanioides是一种致死型诱集植物,能够有效地诱集二化螟和稻蛀茎夜蛾的雌成虫在其叶片上产卵,但孵化出的幼虫在香根草上不能完成生活史。其主要原因是香根草可以释放出吸引雌成虫的挥发性物质,但香根草中的总蛋白、纤维素、总糖、氨基酸等含量不能满足其幼虫的营养需要[148]。幼虫取食香根草后体内蛋白酶、淀粉酶、海藻糖酶和蔗糖酶等消化酶、细胞色素P450和羧酸酯酶CarE等解毒酶的活性显著降低。此外,取食香根草显著抑制了二化螟幼虫体内P450解毒酶CYP6SN3和CYP306A1基因的表达,证实了这两个基因的表达水平与香根草对二化螟幼虫的致死作用密切相关[149]。

6.2 香根草田间布局对二化螟的生态控制

田埂上以一定空间布局种植香根草,引诱二化螟雌成虫产卵并进行集中灭杀,对二化螟种群有较好的控制效果[150]。研究表明,香根草种植间隔3～5 m的稻田中二化螟数量显著低于对照稻田,虫口减退率76.2%～92.5%,在25 m 距离上香根草控制区的虫口减退率也达到80%左右,平均虫口减退率达到84.2%[151]。田埂留草、布局显花植物提高稻田生态系统生物多样性和涵养天敌。调查显示,香根草种植区水稻螟虫卵寄生蜂黑卵蜂和赤眼蜂及其他寄生蜂数量显著高于对照区。其中黑卵蜂主要有大螟黑卵蜂Telenomussesamtae和二化螟黑卵蜂T.chilocolus,赤眼蜂主要包括稻螟赤眼蜂和螟黄赤眼蜂,其他寄生蜂为印啮小蜂Aceratoneuromyiaindica、弄蝶绒茧蜂Apantelesbaoris和螟黄足绒茧蜂A.flavipes等。香根草种植区二化螟天敌寄生蜂黑卵蜂、赤眼蜂及其他寄生蜂的数量分别较对照田提高了2.8、1.7倍和0.8倍[152]。

6.3 以香根草合理布局为基础的二化螟综合防控措施

水稻收割时,提倡低茬收割或收后粉碎稻桩,减少越冬虫源。翌年小麦、油菜收获前在田块四周布置性诱剂或特定波长诱虫灯以大量诱杀越冬代二化螟成虫。在冬闲田,在越冬代化蛹高峰期进行翻耕和灌水灭蛹,可显著减少二化螟发生基数。也可利用性干扰剂干扰越冬代二化螟成虫交配,减少下代虫量。通过田埂留草、布局显花植物等措施提高稻田生态系统生物多样性涵养天敌;种植诱虫植物香根草引诱二化螟产卵。运用成虫行为调控产品(性诱剂、食诱剂或特定波长LED灯)于二化螟发生高峰期对成虫进行诱杀。二化螟大暴发时期,在抗药性监测的基础上用效果较好的化学药剂防治二化螟幼虫。

以香根草合理布局为重要内容,配合灌水灭蛹、杀虫灯诱杀、性诱剂等二化螟生态调控及综合防控模式,能有效提高稻田生态系统的自然控制能力,可减少化学农药的使用1～2次,降低杀虫剂使用量30%以上,从而改善和平衡生态环境,生态、经济和社会效益显著。

7 展望

随着全球气候变化问题日趋突出,温室效应导致的全球变暖将成为气候变化的主旋律,全球气温仍将持续升高。为适应主粮生产及市场需求,我国水稻种植结构及主栽品种仍将持续进行深度调整与优化,这极有可能会造成水稻连作、混栽面积不断扩大,复种、套种等立体化种植模式不断发展。水稻螟虫对现有化学杀虫剂的高度抗性在短期内难以逆转,新型杀螟化学杀虫剂的研发愈发困难,研发周期也不断加长,可替代新型杀螟药剂短期内难以大批量出现。短期内,有效的抗螟水稻种质资源仍难以挖掘,新型抗螟水稻品种难以创制,经遗传改良的抗螟水稻难以商业化推广利用。依托螟虫天敌的生物防治手段,以及生态调控与理化诱控手段的稳定性与有效性仍有待进一步加强。上述这些因素仍可能会导致在未来一段时间内,水稻螟虫在我国持续偏重暴发,特别是在长江流域及其以南稻区,其发生规律与趋势难以显著改变。这也意味着我国对水稻螟害的绿色可持续控制任务仍十分繁重,但同时也意味着其发展与提升空间依然十分巨大。这就要求我们必须根据各水稻主产区的栽培与管理模式,以及水稻螟虫实际发生规律及其演变趋势,进一步做好水稻螟虫绿色防控与可持续治理的相关工作,采取相应的措施与手段。如,加强水稻螟虫预测预报,熟悉掌握其发生变化规律与趋势;完善水稻种植与栽培管理措施,有效评价主栽水稻品种的抗螟性,挖掘新的水稻相关抗螟基因,如5-羟色胺合成基因等[153],并利用基因编辑技术创制新型抗螟水稻;加强水稻田间管理,进一步做好减肥减药,营造良好的稻田生态系统;科学使用化学杀虫剂,做好水稻螟虫应急防控,结合现代大数据组学、分子生物学、药理毒理学等技术手段,筛选新型控害靶标,研发新型杀螟药剂;充分利用生态及生物资源,有效发挥生物防治、生态调控及理化诱控在水稻螟虫绿色防控中的积极作用。通过以上措施的综合应用,我们将能更好地应对水稻螟虫的挑战,实现对其绿色防控的目标,促进水稻生产的可持续发展。