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呼吸代谢测量技术与农作物病虫害科学防治

呼吸代谢测量技术与农作物病虫害科学防治

人类活动的全球化和全球气候的变化使得病虫害的爆发及传播愈发频繁和快速。作物病虫害肆虐的地域不断扩散,造成一些发展中国家的农作物和粮食安全面临巨大风险。近年来国外的一些入侵害虫如草地贪夜蛾等引发的虫口夺粮战引起国务院高度重视。害虫防治过程中无论是采用生态控制、化学灭杀还是基因编辑技术控制其种群数量,都需要实时监测害虫生理过程(呼吸代谢),进而开发出先进的害虫管理方法。

由北京易科泰生态技术有限公司提供的昆虫呼吸代谢测量技术主要由三气(氧气、二氧化碳、水汽)分析仪、八通道气路转换器、数据采集器、呼吸室、活动检测器、标准或高级版软件等组成,可以连接8或16个或更多呼吸室进行昆虫的活动与呼吸代谢测量实验。下面将介绍一些典型应用研究案例:

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.

杀虫剂耐药性研究不仅在害虫管理方案中具有实际重要性,而且作为新适应的表型及其相关的生理(和遗传)变化的进化模型也很重要。氧气消耗代表了昆虫生理过程能量需求,可通过昆虫的呼吸速率来证明昆虫种群对不同环境条件的适应性。昆虫呼吸速率的变化有助于检测与无杀虫剂环境中的杀虫剂耐药性相关的可能适应成本,以及在接触有毒化合物时,生物体脂肪体形态能量储备的可用性和动员力。

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本研究结果表明玉米象种群杀虫剂抗性与脂肪体细胞形态及呼吸频率之间存在相关性,导致更高的储存能量随时动员起来抵抗杀虫剂。此外,抗杀虫剂的高能源需求可能会带来额外的能源成本,从而阻止缺乏一个杀虫剂的抗性表型固化,除非其储存能量的能力动员他们的力量足以满足潜在的相互冲突的生理过程需求(如抗药性和发育)。另外的研究见

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.

大豆夜蛾作为大豆作物害虫,主要通过杀虫剂防治。本文评估了毒死蜱对大豆夜蛾毒性、存活率和副作用(运动行为、呼吸、食物消耗等)的影响。毒死蜱(LC50=0.58 g L-1和LC90=0.85 g L-1)对大豆夜蛾有毒杀效应,并且LC50毒死蜱下存活率从对照99%降低到30%。杀虫剂降低了呼吸速率、食物消耗量,改变了行为反应以及中肠组织病变损伤。

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类似的研究见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发现,2010年快速扩散到我国南方地区(见农业部、国家林业局公告第1380号),对当地棉花生产造成严重危害。

   传统的合成杀虫剂易造成环境污染和害虫耐药性。文中通过RNAi对害虫目标基因进行特定序列调节,从而导致重要生理过程功能丧失。生理过程功能监测采用SSI呼吸代谢测量技术定性评估害虫体液损失,技术方案中的部分配置如下图:

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(i)与GFP相比,对dSRNA注射(10μg)后AQP和CAL处理的粉蚧液体损失进行定量和定性估计。基于水敏感纸的流体损失定性估计,表明AQP和CAL中的蓝点(液体损失较少)较少:(A)dsAQP注射(B)dsCAL注射(C)dsGFP注入(ii) RH-300水蒸气分析仪,用于评估昆虫的液体损失。(三)与dsGFP相比,dsAQP 注射后粉蚧释放的定量液体排泄物。误差条表示标准偏差(n=4)和*表示显著性(P=0.05)。作者最新研究成果见: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.

天牛分布于我国大部分地区,幼虫蛀食枝干皮层、木质部,引起枯枝死树,危害苹果、桃、柿、枣、栗、杨、柳、油桐等树木。在气候变化的背景下,昆虫的地理范围变化与一系列空间和时间尺度的气候变异性密切相关,害虫尤其如此。出于这些原因,热极限估计至关重要,代表了害虫关键特性的环境极限,如热质生物的活动、生存、发育和繁殖。

  本文利用SSI呼吸代谢测量技术探索了天牛的热耐受性与氧气限制之间的潜在联系。结果表明,虽然幼虫和成虫在常氧下有类似的临界热最大值(CTmax),缺氧下成虫的代谢率比幼虫更显著地降低,从而更显著地减少前者的有氧范围。通过实验操纵的氧气水平在不连续气体交换循环(DGC)和连续呼吸模式之间切换来表明,成虫比幼虫更一致地捍卫气管氧(临界)设定点。这些影响可以解释为,呼吸解剖的体积与成虫的身体质量呈正相关,但在幼虫中明显是大小不变的。因此天牛的两个生命阶段在呼吸结构和功能上表现出关键差异,可以解释缺氧对上热极限的影响程度。

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