錢 韋，曲 靜，康 樂

生物信息流操縱：作物病蟲害導向性防控的新科學

錢 韋，曲 靜，康 樂

中國是當今世界排名第一的人口大國和農(nóng)業(yè)大國。1994年萊斯特·布朗（Lester Brown）提出關(guān)于“誰來養(yǎng)活中國”這個問題之后，該問題一直是全世界密切關(guān)注的焦點。糧食供應(yīng)是決定世界各國戰(zhàn)略發(fā)展的最重要保障，為了確保我國的糧食安全，《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》把 “農(nóng)業(yè)科技整體實力進入世界前列，促進農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力的提高，有效保障國家食物安全”確立為我國科技發(fā)展總體目標之一。雖然國際上也認為中國是未來世界糧食增產(chǎn)的主要區(qū)域之一，但是對比中國主糧作物主要病蟲害危害分布圖可以看出，該區(qū)域與國際預測的增產(chǎn)區(qū)幾乎完全重疊。這預示著我國糧食增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)存在著很大的風險，受到作物病蟲害發(fā)生規(guī)模、頻率的嚴重制約。而從歷史上看，作物病蟲害從來都是威脅我國乃至全世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重大自然災(zāi)害，也是導致人類社會動蕩和人口劇減的主要原因之一。

現(xiàn)階段我國作物病蟲害發(fā)生防治形式相當嚴峻，總體而言呈現(xiàn)以下3個特點。

（1）產(chǎn)量損失特別巨大。即使在全力防控的背景下，全國因病蟲害造成的產(chǎn)量損失仍高達每年 4000萬～6000萬噸，占總產(chǎn)量的 8%～10%，足夠 1.5億～2.0億人一年的口糧。隨著氣候變化、輕型栽培技術(shù)使用和單一遺傳背景品種的推廣，以往零星出現(xiàn)的作物病蟲害（如水稻紋枯病、矮縮病、棉花黃萎病、小麥赤霉病、玉米粘蟲等）連年暴發(fā)成災(zāi)，防治形勢逐年加重。

（2）環(huán)境污染問題日趨嚴峻。在全世界生產(chǎn)使用的農(nóng)藥中，我國的使用量約占1/3，排名全球第一。濫用農(nóng)藥和農(nóng)藥殘留對公共衛(wèi)生、自然環(huán)境、內(nèi)外貿(mào)易和社會經(jīng)濟造成了極其嚴重的影響，食品安全已成為全社會密切關(guān)注的重大民生問題。

（3）缺乏核心技術(shù)創(chuàng)新能力。當前絕大多數(shù)病蟲害防治的策略和技術(shù)均由國外先進國家提出并發(fā)展成熟，我國總體上處理低水平模仿仿制階段。例如，美國現(xiàn)代農(nóng)藥的年產(chǎn)值已經(jīng)達到96億美元。我國雖然是農(nóng)藥使用大國，但年產(chǎn)值僅 18億美元，且多數(shù)產(chǎn)品無核心知識產(chǎn)權(quán)，技術(shù)開發(fā)能力差距顯著。

在巨大的糧食產(chǎn)量壓力下，當前病蟲害防治的核心思想仍然是簡單殺滅，技術(shù)上主要依靠以病蟲害基礎(chǔ)代謝過程和神經(jīng)相關(guān)受體等為靶標的化學農(nóng)藥，忽視生物間存在的相互關(guān)系和信息傳遞，這是導致一系列嚴重問題的根本原因。盡管我國啟動了到2020年化肥、農(nóng)藥零增長行動方案，也設(shè)立了相應(yīng)的國家重點研發(fā)計劃，對農(nóng)藥的科學合理使用進行深入研究，但考慮到當前農(nóng)藥使用的可選擇性和使用現(xiàn)狀，要達到上述目標尚需做出艱苦的努力。未來作物病蟲害防治思想、基礎(chǔ)理論和技術(shù)發(fā)展將往何處去？如何把綜合防治中維護生態(tài)平衡的思想優(yōu)勢與化學防治方法簡便、易行和有效的優(yōu)點有機地結(jié)合在一起？與此同時，發(fā)展具有革命意義的作物抗病蟲害技術(shù)，擯棄低效、復雜、嚴重影響環(huán)境和威脅人類健康的固有技術(shù)缺陷，是當代生命科學基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究面臨的重大科學問題之一。

1 生物間信息流及病蟲害行為操縱是未來防治思想的重大突破

在生物圈中，沒有任何一種生物能夠孤立地生存于非生物的理化環(huán)境之中，它必須與周圍的其他生物及環(huán)境產(chǎn)生相互作用和緊密聯(lián)系。這些聯(lián)系及生物間的相互作用構(gòu)成了寄生、互惠、共生、競爭、拮抗等生態(tài)和協(xié)同進化關(guān)系，而生物之間傳遞的信息流則決定了這些關(guān)系的實質(zhì)，其傳遞規(guī)律是任何生命存在與進化的基本法則。

有據(jù)于此，從生物間相互關(guān)系的角度重新審視作物—昆蟲—病原微生物的關(guān)系就會發(fā)現(xiàn)，種內(nèi)、種間關(guān)系與生物間信息流的傳遞是決定三者間相互關(guān)系最重要的因素。生物間信息流是指生物信號以物理、化學形式在物種之間產(chǎn)生、傳遞、交流、修飾、翻譯、抑制的路徑、過程與控制。以作物—媒介昆蟲—植物病毒這三者間的關(guān)系為例：作物釋放的物理和化學信息能夠被媒介昆蟲識別，吸引昆蟲的移動、遷飛并寄居在植物上，在取食植物的同時傳播病原微生物。在此過程中，植物受到物理損傷后，會經(jīng)由茉莉酸等激素信號轉(zhuǎn)導途徑啟動抗蟲相關(guān)基因的表達，通過增加萜烯類化合物、單寧、黃酮或多酚等化合物的含量等方式進行抗蟲防衛(wèi)反應(yīng)。有意思的是，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，昆蟲攜帶的病毒經(jīng)取食進入到植物中后，會通過病毒編碼的蛋白干擾植物的多種信號轉(zhuǎn)導途徑，抑制植物抗蟲相關(guān)基因的表達和化合物的合成，因而有利于昆蟲的取食并造成其種群擴大、成災(zāi)。由這一實例可見，一方面病毒需要通過昆蟲取食才能侵染植物寄主；另一方面，病毒的內(nèi)共生也有利于昆蟲克服植物抗蟲防衛(wèi)體系，植物、媒介昆蟲和病毒之間形成了復雜的共生和寄生關(guān)系。這些復雜的生物關(guān)系中，病毒如何識別昆蟲并特異性地寄生于昆蟲體內(nèi)？昆蟲如何識別特定的寄主植物進行取食，同時又幫助病毒傳染寄主植物？植物如何識別昆蟲和病毒，從而啟動相應(yīng)的抗病、蟲防衛(wèi)反應(yīng)體系？這些有關(guān)種間信息的識別、解碼、信號轉(zhuǎn)導與反應(yīng)的科學問題決定了作物—媒介昆蟲—植物病毒之間的關(guān)系，最終決定作物受昆蟲和病毒危害的程度與范圍。需要指出的是，對于上述物種間的相互作用關(guān)系，人類的理解還非常薄弱。正是由于這一原因，限制了我們利用先進科學手段對這些相互作用關(guān)系進行精確的操縱，因而被迫采取了無選擇“殺滅”的方式進行作物病蟲害防治。這是作物病理和作物保護學科發(fā)展的歷史性局限。

對生物間信息流及其調(diào)控的理解能夠科學地指導防治策略。例如，長期、單一、反復使用化學農(nóng)藥，已導致多種病蟲害產(chǎn)生抗藥性和耐藥性。這主要是由于目前使用的絕大多數(shù)化學農(nóng)藥采取的是非特異性毒殺的方法。在自然選擇壓力的作用下，病蟲害中自發(fā)產(chǎn)生的耐藥性相關(guān)遺傳變異能夠迅速在種群內(nèi)獲得選擇上的有利性而被固定下來，加速了耐藥性的進化。與此同時，在病原微生物群體中，由于微生物群體內(nèi)存在個體間水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象（horizontal gene transfer），耐藥性相關(guān)基因能夠在極遠緣的病原微生物之間進行遺傳交換，這進一步加快了耐藥性的產(chǎn)生。正因如此，傳統(tǒng)“殺滅”病蟲害的技術(shù)策略只能在短期內(nèi)取得極其有限的效果。對于這一難題，科學家已經(jīng)提出了新的策略：在進行新型化學藥物篩選時，如果理解了生物間信息流的方向與調(diào)控，有目的地篩選僅阻斷種間識別與響應(yīng)過程，但不影響病蟲害其他生理與代謝過程的特異性化合物。使用這類新的化學農(nóng)藥將使病蟲害面臨的自然選擇壓力較小，在對病蟲害進行精準防治，控制其種群大小的同時，減慢耐藥相關(guān)基因在種群內(nèi)的固定過程，能夠有效地避免耐藥性快速進化。因此，深入理解生物間信息流是發(fā)展革命性病蟲害防控技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在此基礎(chǔ)上，對作物—昆蟲—病原微生物生物間信息流及行為進行操縱將會是下一代病蟲害防治學術(shù)思想的重大突破。在該學術(shù)思想的指導下，相應(yīng)的理論體系和防治技術(shù)平臺建設(shè)將會改變以往化學防治、生物防治和綜合防治中存在的固有缺點，為作物病理學基礎(chǔ)理論和病蟲害田間防控做出卓越貢獻，對于保障糧食、食品安全具有重大指導和戰(zhàn)略意義。

2 “生物間信息的識別、解碼與操縱”是現(xiàn)代生命科學發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域

從宏觀上說，作物病蟲害實際上是由于昆蟲和病原微生物為滿足自身正常生存、發(fā)育、繁殖和種群擴大的需要，而對寄主植物的取食和寄生行為。在過去，單純從群落或種群生態(tài)學角度對三者間關(guān)系進行研究的重點主要集中于物種種群數(shù)量、結(jié)構(gòu)格局，動態(tài)變化、種間關(guān)系及其環(huán)境影響因素等。雖然這些研究為理解作物病蟲害的暴發(fā)及環(huán)境制約機制提供了基礎(chǔ)知識，但總體而言未能深入到物種對環(huán)境的適應(yīng)機制這一根本性的問題上。近年來，隨著分子生物學和組學技術(shù)的飛速發(fā)展和生命科學內(nèi)部的融合與交叉，已經(jīng)能夠全面、系統(tǒng)地解析作物、昆蟲和病原微生物三者之間的生物間信息流及其傳遞的分子機制，從生物學性狀本身出發(fā)而非從數(shù)量指標出發(fā)，來對作物病蟲害進行深入的研究，探索宏觀生態(tài)學現(xiàn)象后面的分子生物學與生物化學機制。這使得人類對生物間信息流進行人工模擬、干擾、操縱成為可能，具有巨大的應(yīng)用潛力。這一發(fā)展趨勢代表了整合生物學發(fā)展的未來，也是宏觀生物科學在理論上做出重大突破的重要途徑。

從生物互作的分子機制而言，與動物感染與免疫學一樣，作物先天免疫系統(tǒng)與昆蟲、病原微生物之間的相互作用關(guān)系也是現(xiàn)代生命科學的前沿學科，大量的原創(chuàng)研究論文頻繁在《Cell》《Nature》和《Science》等頂級學術(shù)期刊上發(fā)

表。在過去，以模式生物，如果蠅、線蟲、大腸桿菌和擬南芥等為研究對象的生物科學更多地注重研究生長、發(fā)育、繁殖等單一生命過程中的主要環(huán)節(jié)。然而，正如生態(tài)學揭示的那樣，物種之間的相互關(guān)系形成了地球生物圈里能量流、信息流和物質(zhì)流最主要的網(wǎng)絡(luò)載體系統(tǒng)，也是地球生命得以維持的最重要的依存關(guān)系，其中蘊涵著豐富的、尚未被人類認識的重大科學問題。以作物—昆蟲—病原微生物作為研究對象，從分子水平開展生物間相互關(guān)系及生物間信息流的研究，必將做出新的生物學發(fā)現(xiàn)，發(fā)展新的學科理論。

3 有關(guān)“生物信息流”的研究促進了重大生物技術(shù)的發(fā)展

現(xiàn)代生物學技術(shù)實質(zhì)上是人類對生命進行的人工模擬與重新設(shè)計。在物種相互作用過程中，分子水平的相互操縱是自然存在著的。很多現(xiàn)代生命科學的重大理論與技術(shù)進展是在研究和模擬上述關(guān)系過程中被發(fā)現(xiàn)的，因此，作物病理與作物保護學科的發(fā)展已經(jīng)為整個生命科學領(lǐng)域作出了重大貢獻。

（1）天然免疫激活受體的發(fā)現(xiàn)。首個被發(fā)現(xiàn)的高等生物天然免疫激活受體是1995年在水稻—黃單胞菌互作過程中分離的水稻Xa21蛋白，而后在對哺乳動物中脂多糖受體和昆蟲 TOLL樣受體及功能解析的研究工作中取得突破并獲得 2011年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

（2）RNA 干擾（RNAi）現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。RNAi首先是在植物—病毒相互作用和植物基因的“共抑制”現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)。該現(xiàn)象的分子機制在線蟲模式體系中被闡明后獲得 2006年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎，為深入理解分子生物學“中心法則”和發(fā)展現(xiàn)代基因調(diào)控技術(shù)作出了重大貢獻。

（3）植物轉(zhuǎn)化技術(shù)。在研究植物—細菌互作過程中發(fā)現(xiàn)根癌農(nóng)桿菌感應(yīng)植物化學信息后，將Ti質(zhì)粒整合植物基因組中，調(diào)控寄主基因表達。支撐現(xiàn)代植物分子生物學誕生與發(fā)展的核心技術(shù)之一的植物轉(zhuǎn)化技術(shù)就是該過程經(jīng)人工改造而成。

（4）TALEN基因組編輯技術(shù)。在研究植物—細菌互作過程中發(fā)現(xiàn)黃單胞菌TAL類效應(yīng)子（effector）能夠按規(guī)則化的編碼方式，特異性地識別植物基因啟動子序列?；谠撗芯康腡ALEN技術(shù)是目前編輯基因組DNA最成熟的生物技術(shù)之一，曾被《Science》評為2012年十大科學進展之一。

上述科學發(fā)現(xiàn)和技術(shù)進步表明，植物—病原微生物—昆蟲相互之間存在自然、分子水平的操縱一旦被闡明，就能輻射到整個生命科學領(lǐng)域，從而做出重大科學發(fā)現(xiàn)。其發(fā)展和影響并不僅僅局限于該研究領(lǐng)域。

4 靶向生物信息流，導向性防控作物病蟲害是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的重大突破口

中國科學院在作物抗病、昆蟲生物學和病原微生物致病機制領(lǐng)域有一支優(yōu)勢研究隊伍，在各專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)具有顯著的地位和國際影響力，是作物病理學與保護學領(lǐng)域高水平人才薈萃的研究集體之一。然而，由于作物抗病、農(nóng)業(yè)昆蟲和病原微生物研究分屬植物學、動物學和微生物學等不同的專業(yè)領(lǐng)域，過去合作攻關(guān)研究較少。包括“973”、重大研究計劃等在內(nèi)的現(xiàn)有國家重點科學研究項目均不能有效地將上述人才隊伍納入同一項目，并在同一個關(guān)鍵科學問題下進行協(xié)同研究。

基于上述考慮，為了突破病蟲害防控的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究瓶頸，中國科學院于2014年設(shè)立了“作物病蟲害的導向性防控——生物間信息流與行為操縱”戰(zhàn)略性先導科技專項。該專項在“作物—昆蟲—病原微生物生物間信息流及行為操縱”這一總體學術(shù)思想的統(tǒng)領(lǐng)下，將總體研究方向定為：系統(tǒng)分析并鑒定與作物病蟲害發(fā)生、發(fā)展和成災(zāi)有關(guān)的種間信息及其傳遞過程，建立生物間信息流精細調(diào)控的信號網(wǎng)絡(luò)，識別種間信息傳遞過程中的重要調(diào)控節(jié)點和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展人工操縱昆蟲和病原微生物行為及致病過程的新技術(shù)與新方法，并通過生態(tài)自殺、性別控制、發(fā)展新型抗菌化合物、作物免疫調(diào)節(jié)劑、作物抗性相關(guān)代謝組人工設(shè)計等現(xiàn)代生物學手段，對害蟲和病原微生物進行高效、特異、環(huán)境友好和費效比高的導向性防控，為我國主要糧食作物的病蟲害防控工作做出重大思想理論創(chuàng)新，在關(guān)鍵技術(shù)障礙實現(xiàn)突破；并為保障國家糧食安全作出重要貢獻。

為了完成該目標，該專項設(shè)立了5個研究項目進行整合創(chuàng)新：（1）種內(nèi)信息流的生物學效應(yīng)與人工操縱；（2）種間信息的識別解碼與人工操縱；（3）信息流傳遞與應(yīng)答的調(diào)控與操縱；（4）基于靶標分子的病蟲特異性干預；（5）多營養(yǎng)級生物間信息互作與導向調(diào)控。各項目集中中國科學院微生物學、現(xiàn)代昆蟲學、植物分子生物學、系統(tǒng)生物學、基因組學和組合化學等多學科的優(yōu)勢力量，合理分工，協(xié)力合作，為總體目標的完成進行深入研究。同時，依托專項實施，全面建立包括遺傳學、表觀遺傳學和組學分析平臺、物質(zhì)檢測與生物化學分析平臺、靜態(tài)—動態(tài)細胞生物學分析平臺和整合生物學與生物信息學分析平臺在內(nèi)的研究與發(fā)展設(shè)施。

5 “作物病蟲害的導向性防控”先導專項已經(jīng)取得了系列重大研究成果

自2014年啟動實施以來，該專項無論是在基礎(chǔ)理論還是在重大應(yīng)用技術(shù)方面，均取得了系列重大突破。

（1）基礎(chǔ)理論研究方面。專項研究團隊通過種內(nèi)信息流及其機制的研究，發(fā)現(xiàn)飛蝗聚群信息流具有跨代表觀遺傳效應(yīng)，揭示非編碼小RNA作為這一過程的關(guān)鍵調(diào)控信息物質(zhì)控制后代卵的發(fā)育和孵化的同步性，為發(fā)展蝗災(zāi)暴發(fā)的綠色防控策略開辟新的途徑。（2）作物與微生物互作領(lǐng)域。發(fā)現(xiàn)了多個病原菌致病新機理，在植物先天免疫、茉莉酸和小RNA介導的植物免疫反應(yīng)方面取得了多項國際領(lǐng)先成果，為提高作物抗病能力、選擇新型農(nóng)藥作用靶標提供科學依據(jù)。（3）植物與昆蟲互作領(lǐng)域。發(fā)現(xiàn)茉莉素響應(yīng)衰減和植保素積累動態(tài)調(diào)控不 同發(fā)育時期植物的抗蟲性，同時發(fā)展RNAi抗蟲技術(shù)，為培育新型抗蟲作物提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)。（4）昆蟲與微生物互作領(lǐng)域。闡明昆蟲真菌遺傳進化和寄主適應(yīng)機理、卵胞霉素生物合成及抑制昆蟲免疫機制，為發(fā)展環(huán)境友好的真菌殺蟲劑提供理論基礎(chǔ)。（5）多營養(yǎng)級生物互作研究領(lǐng)域。發(fā)現(xiàn)多物種間協(xié)同發(fā)育的關(guān)鍵分子，闡明病蟲行為和發(fā)育的信息流控制機制，提出全球氣候變化下作物-害蟲-病毒-天敵發(fā)生發(fā)展的預警與防控新對策。（6）重大生物技術(shù)方面。利用基因組編輯技術(shù)，對六倍體小麥的MLO基因定向修飾，在國際上首次培育出高抗白粉病小麥，獲得生物技術(shù)重大突破，為我國農(nóng)作物育種提供重要技術(shù)支撐。在國際上首次證明了植物—真菌跨界小RNA沉默降解病原靶基因的抗病新途徑，并將之應(yīng)用于抗棉花黃萎病的種質(zhì)創(chuàng)新，有望攻克棉花重大病害黃萎病。首次攻克了以信息素為核心的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，在我國成功控制紅脂大小蠹，發(fā)展了全球氣候變化下作物-害蟲-病毒-天敵發(fā)生發(fā)展的預警與防控新對策。

該專項實施以來，在成果發(fā)表和應(yīng)用方面成績卓著。專項啟動以來，共發(fā)表研究論文 150余篇，其中 39篇論文發(fā)表在包括《Nature Biotechnology》《 Cell Host &Microbe》《Nature Plant》《Nature Communication》《PNAS》《PLoS Pathogens》《PLoS Genetics》《Plant Cell》等國際著名學術(shù)期刊上。由第三方科研機構(gòu)評估的結(jié)果表明，專項科學隊伍在昆蟲學和植物病理學兩個主要學科領(lǐng)域上已經(jīng)大幅超越國際平均水平，接近國際頂級研究機構(gòu)的科技產(chǎn)出和影響力。此外，專項加強了數(shù)據(jù)交流、平臺技術(shù)共享等方面的建設(shè)，儲備了多種病蟲的基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組等8類35項相關(guān)數(shù)據(jù)，儲備了基因組編輯技術(shù)、生物互作感染方法等 17類 41項相關(guān)技術(shù)，并在專項內(nèi)共享使用。在管理方面秉持“精干隊伍、穩(wěn)定支持、嚴格考核、一流成果”的管理理念，實行差異化資助體系，鼓勵重大科研成果的產(chǎn)出，開展創(chuàng)新性的管理工作，為專項各課題組打破學科、研究所之間存在的研究障礙，為協(xié)同創(chuàng)新工作提供了制度保障和專業(yè)平臺。

我國的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)經(jīng)過數(shù)十年的積累，為保障國家、社會突飛猛進的發(fā)展作出了重大貢獻。立足當前，展望未來，我國農(nóng)業(yè)應(yīng)當在基礎(chǔ)理論建設(shè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展和農(nóng)業(yè)創(chuàng)新體系上作出全新的貢獻，引領(lǐng)世界農(nóng)業(yè)科技發(fā)展的新方向?！白魑锊∠x害的導向性防控”先導專項是國家在作物病理學與保護學領(lǐng)域以科技專項形式進行重點資助的重大項目，通過凝聚高水平研究隊伍，加強研究合作和學科融合，在項目管理機制與體制方面做出了重要創(chuàng)新，必將培育造就一支國際一流，能夠引領(lǐng)學科發(fā)展的創(chuàng)新隊伍，為引領(lǐng)生命科學領(lǐng)域前沿和保障國家糧食、食品重大戰(zhàn)略需求作出基礎(chǔ)性、前瞻性的貢獻。?

【作者單位：中國科學院微生物研究所；中國科學院北京生命科學研究院；中國科學院動物研究所】

（摘自《中國科學院院刊》2017年第8期）