杜素潔, 郭建洋, 趙浩翔, 萬(wàn)方浩, 劉萬(wàn)學(xué)
(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所,植物病蟲害綜合治理全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100193)
目前,世界上絕大多數(shù)國(guó)家和地區(qū)均有入侵物種肆意擴(kuò)張蔓延問(wèn)題。隨著經(jīng)濟(jì)全球化和區(qū)域一體化的快速發(fā)展,入侵物種傳入與擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)加大,生物入侵問(wèn)題仍然突出,形勢(shì)依舊嚴(yán)峻。據(jù)生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)政府間科學(xué)-政策平臺(tái)Intergovernmental Science Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services (IPBES) 2020年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),全球外來(lái)物種達(dá)39 191種?!蹲匀弧冯s志2021年公布的研究數(shù)據(jù)顯示, 1970年至2017年間全球生物入侵造成的經(jīng)濟(jì)損失累計(jì)約1.288萬(wàn)億美元,年均268億美元。數(shù)據(jù)表明,美國(guó)、澳大利亞、南非、印度、菲律賓等國(guó)家每年因生物入侵遭受的經(jīng)濟(jì)損失均超過(guò)數(shù)百億美元。我國(guó)是受外來(lái)入侵物種侵害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一,外來(lái)入侵物種已達(dá)660余種,據(jù)2009年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)年均損失超2 000億元,形勢(shì)十分嚴(yán)峻[1-2]。
外來(lái)物種入侵管理和防控與國(guó)家糧食安全、生物安全和生態(tài)安全息息相關(guān)。我國(guó)早期的外來(lái)入侵物種管理專項(xiàng)法規(guī)過(guò)于零散,使得外來(lái)物種的管理缺少法律依據(jù),且防控技術(shù)雖具普遍性,但沒(méi)有針對(duì)性,導(dǎo)致治理效果不理想。而加強(qiáng)和提升管理水平以及加強(qiáng)物種防控技術(shù)攻關(guān)是有效治理外來(lái)入侵物種的基礎(chǔ)。近年來(lái),黨中央、國(guó)務(wù)院高度重視外來(lái)物種入侵防控工作,出臺(tái)了專門的法律法規(guī)和管理制度。
近十年來(lái),我國(guó)在防范和應(yīng)對(duì)外來(lái)入侵物種侵害、保障農(nóng)林牧漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展、保護(hù)生物多樣性方面形成了系統(tǒng)的法規(guī)和制度保障,外來(lái)物種入侵防控管理水平顯著提升?!笆舜蟆币詠?lái),在黨中央的持續(xù)關(guān)注和推進(jìn)下,《中華人民共和國(guó)生物安全法》正式施行,該法將外來(lái)物種入侵界定為生物安全重大風(fēng)險(xiǎn)因素之一,強(qiáng)化了防范外來(lái)物種入侵在國(guó)家生物安全治理體系中的重要地位。為了貫徹落實(shí)《生物安全法》的規(guī)定要求,近年來(lái)先后提出“加強(qiáng)國(guó)家生物安全風(fēng)險(xiǎn)防控和治理體系建設(shè),提高國(guó)家生物安全治理能力,對(duì)已經(jīng)傳入并造成嚴(yán)重危害的,要摸清底數(shù),‘一種一策’精準(zhǔn)治理,有效滅除”。2021年,中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)生物多樣性保護(hù)的意見》中明確提出,提升外來(lái)入侵物種防控管理水平,開展外來(lái)入侵物種普查。2022年,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、自然資源部、生態(tài)環(huán)境部、海關(guān)總署四部門以部長(zhǎng)令聯(lián)合頒布了《外來(lái)入侵物種管理辦法》,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部會(huì)同自然資源部等六部門制定了《重點(diǎn)管理外來(lái)入侵物種名錄》,黨的“二十大”會(huì)議強(qiáng)調(diào)“加強(qiáng)生物安全管理,防治外來(lái)物種侵害”。
我國(guó)應(yīng)對(duì)外來(lái)入侵物種防控需求的科技支撐能力也得到了顯著提升。為了深入貫徹落實(shí)黨中央決策部署,“十三五”以來(lái),國(guó)家先后啟動(dòng)實(shí)施了生物安全關(guān)鍵技術(shù)研究、重大病蟲害防控綜合技術(shù)研發(fā)與示范、主要經(jīng)濟(jì)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)與產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效科技創(chuàng)新、生物多樣性保護(hù)等國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)研究,用于支撐和構(gòu)建重大入侵物種的早期預(yù)警、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)、應(yīng)急與綜合防控三道防線,提升外來(lái)入侵物種預(yù)警與防控能力。我國(guó)科學(xué)家面向生物入侵防控科技需求,圍繞外來(lái)入侵物種“治早、治小、治了、治好”的防控目標(biāo),積極建言獻(xiàn)策,參與國(guó)家生物入侵防控的管理與決策,為國(guó)家政府和行業(yè)部門牽頭撰寫生物入侵相關(guān)系列咨詢管理建議和重大疫情報(bào)告,其中“外來(lái)生物入侵對(duì)我國(guó)糧食生產(chǎn)和食品安全造成的危害”“農(nóng)業(yè)農(nóng)村部針對(duì)蘋果蠹蛾防控的對(duì)策研究”“加強(qiáng)外來(lái)入侵防控工作2022工作要點(diǎn)”“關(guān)于加強(qiáng)外來(lái)入侵物種早期防控能力建設(shè)的建議”等,引起了全社會(huì)對(duì)生物入侵防控的高度關(guān)注和重視。此外,圍繞落實(shí)《生物安全法》和國(guó)家/行業(yè)部門對(duì)外來(lái)入侵物種防控管理需要,從技術(shù)層面參與起草了《外來(lái)入侵物種管理辦法》《國(guó)家重點(diǎn)管理外來(lái)入侵物種名錄》《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)外來(lái)入侵物種防控工作的意見》等;2021年,國(guó)家啟動(dòng)了全國(guó)范圍的外來(lái)入侵物種普查,專家學(xué)者又積極為外來(lái)入侵物種普查和重點(diǎn)調(diào)查提供技術(shù)支撐和咨詢,并編制了入侵物種生物詞典,同時(shí)制定了入侵害蟲普查工作方案、技術(shù)方案,確定了《全國(guó)外來(lái)入侵物種清單》和《國(guó)家重點(diǎn)管理外來(lái)入侵物種名錄》,還構(gòu)建了風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估技術(shù)體系等。
十年間,我國(guó)在生物入侵領(lǐng)域的國(guó)際影響力顯著提高。我國(guó)通過(guò)搭建國(guó)內(nèi)國(guó)際合作平臺(tái)、組織國(guó)內(nèi)國(guó)際學(xué)術(shù)交流活動(dòng),不斷提升專業(yè)領(lǐng)域影響力。在平臺(tái)建設(shè)方面,依托中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所建立了國(guó)家農(nóng)業(yè)生物安全科學(xué)研究中心。在前期建立農(nóng)業(yè)農(nóng)村部外來(lái)入侵物種預(yù)防與控制研究中心基礎(chǔ)上,2022年,經(jīng)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部批準(zhǔn),國(guó)內(nèi)入侵物種防控與管理的優(yōu)勢(shì)單位聯(lián)合組建了農(nóng)業(yè)農(nóng)村部入侵生物防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。學(xué)術(shù)交流方面,主辦了五屆全國(guó)入侵生物學(xué)大會(huì),舉辦全國(guó)入侵生物學(xué)教學(xué)研討與推進(jìn)會(huì)等??茖W(xué)研究方面,中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所協(xié)同國(guó)內(nèi)多家從事外來(lái)入侵生物綜合防控領(lǐng)域的專家共同申報(bào)的“主要農(nóng)業(yè)入侵生物的預(yù)警與監(jiān)控技術(shù)”獲得2013年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。國(guó)際上,我國(guó)連續(xù)主辦前三屆國(guó)際入侵生物學(xué)大會(huì),主辦國(guó)際粉虱研討會(huì),參會(huì)人員累計(jì)逾3 000人次,國(guó)外參會(huì)代表逾400人次。在此基礎(chǔ)上,發(fā)起成立了國(guó)際生物入侵學(xué)術(shù)團(tuán)體(ICBI),負(fù)責(zé)制定管理機(jī)制并組織設(shè)立了常設(shè)秘書處(北京)。近年來(lái)還組織了第二屆重大入侵昆蟲番茄潛葉蛾P(guān)hthorimaeaabsoluta綠色防控國(guó)際研討會(huì)(2022),以及中國(guó)-東南亞跨境有害生物聯(lián)防聯(lián)控國(guó)際研討會(huì)等。已先后與美國(guó)、澳大利亞、新西蘭、以色列、肯尼亞、埃塞俄比亞、蘇丹、巴基斯坦、老撾、緬甸、馬來(lái)西亞、印度等國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)簽署聯(lián)合研究與合作協(xié)議。建成中國(guó)-澳大利亞、中國(guó)-新西蘭等外來(lái)入侵物種聯(lián)合研究中心等平臺(tái),以平臺(tái)為媒介,開展了人才培養(yǎng)、人才互訪、共同申報(bào)或開展項(xiàng)目合作等國(guó)際活動(dòng)。針對(duì)6大經(jīng)濟(jì)走廊的地域特點(diǎn),成功組織和牽頭召開了“‘一帶一路’植保國(guó)際聯(lián)盟及重大國(guó)際合作項(xiàng)目發(fā)展國(guó)際科學(xué)家峰會(huì)”,來(lái)自13個(gè)國(guó)家/國(guó)際組織共143位代表參與了交流和研討,成立了“一帶一路”植保國(guó)際聯(lián)盟,發(fā)布了《“一帶一路”植保國(guó)際聯(lián)盟長(zhǎng)春宣言》。相關(guān)工作引起國(guó)家部委高度重視,撥付專項(xiàng)資金(‘948’項(xiàng)目)用于“一帶一路”沿線國(guó)家外來(lái)入侵生物管控研究的交流、合作與技術(shù)輸出。高水平國(guó)內(nèi)和國(guó)際學(xué)術(shù)交流與合作平臺(tái)的搭建,推動(dòng)了中國(guó)入侵生物學(xué)學(xué)科發(fā)展。
有效阻截已入侵物種擴(kuò)散危害,快速滅除新發(fā)入侵物種對(duì)于保障國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全、生態(tài)安全和社會(huì)安全意義重大。近10年,在生物安全關(guān)鍵技術(shù)研究、重大病蟲害防控綜合技術(shù)研發(fā)與示范、主要經(jīng)濟(jì)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)與產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效科技創(chuàng)新、生物多樣性保護(hù)等國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng),國(guó)家自然科學(xué)基金、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部入侵物種普查專項(xiàng)以及國(guó)際合作項(xiàng)目等經(jīng)費(fèi)支持下,以重大農(nóng)業(yè)外來(lái)入侵物種為對(duì)象,圍繞 “治早、治小、治了、治好”和“風(fēng)險(xiǎn)防范、關(guān)口前移、源頭治理”的防控目標(biāo),針對(duì)入侵物種的種群特征與成災(zāi)原因(機(jī)理)、風(fēng)險(xiǎn)研判與災(zāi)變預(yù)警、靶向滅除與綠色減災(zāi)等科學(xué)問(wèn)題,開展基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究以及防控技術(shù)的推廣應(yīng)用研究,取得了可喜的進(jìn)展[3]。
摸清重點(diǎn)管理的外來(lái)入侵物種的成災(zāi)機(jī)制對(duì)于系統(tǒng)推進(jìn)外來(lái)物種入侵防控工作具有重要意義。目前,圍繞重點(diǎn)關(guān)注的蘋果蠹蛾Cydiapomonella、番茄潛葉蛾、橘小實(shí)蠅Bactroceradorsalis等重大農(nóng)業(yè)入侵害蟲,微甘菊Mikaniamicrantha、紫莖澤蘭Ageratinaadenophora、加拿大一枝黃花Solidagocanadensis等重大農(nóng)業(yè)入侵雜草,福壽螺Pomaceacanaliculata、非洲大蝸牛Achatinafulica等農(nóng)業(yè)入侵軟體動(dòng)物為對(duì)象,構(gòu)建了外來(lái)入侵物種組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)(InvasionDB),為從分子角度揭示入侵機(jī)制提供了數(shù)據(jù)支撐和分析平臺(tái)[4-7]。揭示了蘋果蠹蛾[5]、番茄潛葉蛾[8]、橘小實(shí)蠅[9-12]、紅棕象甲R(shí)hynchophorusferrugineus[13]、馬鈴薯甲蟲Leptinotarsadecemlineata[14]、紅脂大小蠹Dendroctonusvalens[15]、西花薊馬Frankliniellaoccidentalis[16]、伊氏葉螨Tetranychusevansi[17]等入侵害蟲的內(nèi)在優(yōu)勢(shì)和競(jìng)爭(zhēng)力增強(qiáng)(寄主、抗藥性等環(huán)境適應(yīng)性)的入侵機(jī)制;從光合能力、化感作用與根際土壤養(yǎng)分循環(huán)等多個(gè)角度揭示了紫莖澤蘭和刺萼龍葵Solanumrostratum在全球入侵過(guò)程中的內(nèi)在優(yōu)勢(shì)和化感作用機(jī)制[18];從入侵植物與土壤養(yǎng)分互作的角度揭示了微甘菊、空心蓮子草(水花生)Alternantheraphiloxeroides基于土壤微生物反饋調(diào)節(jié)的入侵植物競(jìng)爭(zhēng)力增強(qiáng)(競(jìng)爭(zhēng)排斥)的入侵機(jī)制[19-20];從環(huán)境和免疫壓力耐受能力強(qiáng)、腸道微生物協(xié)助解毒和消化等角度揭示了非洲大蝸牛和福壽螺的內(nèi)在優(yōu)勢(shì)以及微生物與寄主互利助長(zhǎng)機(jī)制[6-7]。
2.1.1入侵昆蟲蘋果蠹蛾的研究
我國(guó)科學(xué)家揭示了入侵害蟲蘋果蠹蛾的化學(xué)生態(tài)適應(yīng)性與抗藥性分子機(jī)制。通過(guò)解析入侵害蟲蘋果蠹蛾的基因組等多組學(xué)數(shù)據(jù)圖譜,構(gòu)建了高質(zhì)量的染色體水平的蘋果蠹蛾基因組,證實(shí)了蘋果蠹蛾中存在識(shí)別梨酯的關(guān)鍵嗅覺受體基因,梨酯能增強(qiáng)性信息素對(duì)蘋果蠹蛾的引誘作用,而該嗅覺受體與梨酯具有功能互補(bǔ)和協(xié)同增效作用,揭示了蘋果蠹蛾全球擴(kuò)散過(guò)程中的寄主適應(yīng)性進(jìn)化機(jī)制;鑒定了保幼激素酯酶、氣味結(jié)合蛋白等多個(gè)與蘋果蠹蛾發(fā)育、繁殖、抗藥性相關(guān)基因的功能,進(jìn)而研究闡明了谷胱甘肽巰基轉(zhuǎn)移酶通過(guò)“封存作用”介導(dǎo)蘋果蠹蛾對(duì)高效氯氟氰菊酯代謝抗性的新機(jī)制[5,21]。為多年來(lái)關(guān)于谷胱甘肽巰基轉(zhuǎn)移酶可能通過(guò)與擬除蟲菊酯殺蟲劑的非催化被動(dòng)結(jié)合進(jìn)而介導(dǎo)抗性形成這一推斷提供了有力的證據(jù);開展了蘋果蠹蛾全基因組水平lncRNA 圖譜研究,獲得了蘋果蠹蛾全長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄本圖譜,揭示了轉(zhuǎn)錄組的復(fù)雜性,為后續(xù)功能研究,以及利用lncRNA調(diào)控蘋果蠹蛾各種生理活動(dòng)的研究提供了數(shù)據(jù)支撐;全面分析了全球防治蘋果蠹蛾的殺蟲劑使用情況和抗藥性現(xiàn)狀,從靶標(biāo)抗性和代謝抗性兩個(gè)方面系統(tǒng)闡述了蘋果蠹蛾對(duì)殺蟲劑抗性形成的機(jī)制[21],為抗藥性蘋果蠹蛾綜合治理、創(chuàng)制新型綠色蘋果蠹蛾防控策略提供了新思路。
2.1.2入侵植物微甘菊的研究
利用組學(xué)揭示了微甘菊超強(qiáng)的生物學(xué)特性是其快速生長(zhǎng)的原因。構(gòu)建了染色體水平的高質(zhì)量微甘菊參考基因組,揭示了微甘菊環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)化與快速生長(zhǎng)的分子機(jī)制。微甘菊屬C3植物,但其凈光合速率顯著高于其他C3植物,并接近于C4植物。研究表明,微甘菊在白天和夜晚利用不同的光合途徑固定CO2,從而為其快速生長(zhǎng)提供充足的碳水化合物。微甘菊較本地伴生植物具有更高的競(jìng)爭(zhēng)力源于其對(duì)土壤氮及其他養(yǎng)分的利用能力更強(qiáng)[19]。微甘菊掉落的葉片和花在土壤中會(huì)釋放大量化感物質(zhì),化感物質(zhì)可以通過(guò)富集參與氮循環(huán)途徑的微生物來(lái)增加氮的可利用性,加速根際土壤的養(yǎng)分循環(huán),為其快速生長(zhǎng)提供充足的養(yǎng)分。該研究為生物化肥的研發(fā)提供了新的思路。微甘菊對(duì)氮吸收能力和對(duì)土壤氮的礦化能力較強(qiáng),它可以通過(guò)富集根際土壤氮循環(huán)功能菌加速土壤氮循環(huán),研究證實(shí)微甘菊生長(zhǎng)所需的有效氮主要來(lái)自氨氧化古菌介導(dǎo)的硝化作用而非固氮作用。此外,土壤線蟲介導(dǎo)微生物對(duì)入侵植物(微甘菊)和本地植物(火炭母Polygonumchinense)具有不同的微生物富集潛力[22],研究發(fā)現(xiàn)微甘菊根際富集了較多的參與養(yǎng)分獲取和抑制病菌的微生物,這在很大程度上增強(qiáng)了微甘菊對(duì)各種環(huán)境的適應(yīng)和入侵能力。入侵物種的成功侵入可能與它們與其他生物相互作用能力,根系深度、酶活性和吸收養(yǎng)分的能力有關(guān),為微生物與微型動(dòng)物的互作在植物養(yǎng)分釋放和養(yǎng)分獲取方面提供了見解。目前,防控微甘菊的手段主要有化學(xué)防控和生物防控,施用化學(xué)藥劑可能會(huì)傷害周圍其他植物,而利用田野菟絲子Cuscutachinensis寄生可導(dǎo)致微甘菊死亡;釋放紫紅短須螨Brevipalpusphoenicis使微甘菊的莖葉黃化至逐漸枯死[23]。
2.1.3番茄黃化曲葉病毒(TYLCV)等病原物的研究
通過(guò)對(duì)入侵病原物致病因子鑒定、寄主植物抗病因子識(shí)別分析、與媒介昆蟲互惠共生關(guān)系等的研究,揭示了雙生病毒在宿主煙粉虱體內(nèi)復(fù)制的機(jī)制[24-26]。在沒(méi)有病毒寄主植物存在的情況下,番茄黃化曲葉病毒(tomato yellow leaf curl virus,TYLCV)可以在帶毒煙粉虱Bemisiatabaci體內(nèi)至少存留2代,后代成蟲可以傳播TYLCV使健康植物發(fā)病,揭示了TYLCV跨界在昆蟲體內(nèi)復(fù)制的重要機(jī)制。揭示了雙生病毒在煙粉虱中腸細(xì)胞中的運(yùn)輸機(jī)制[27],研究首次發(fā)現(xiàn)了煙粉虱腸道上皮細(xì)胞存在雙生病毒受體蛋白,在深入理解雙生病毒跨越煙粉虱中腸細(xì)胞運(yùn)輸?shù)臋C(jī)制方面邁出了重要一步,為探索阻斷病毒傳播提供了新的理論依據(jù)。揭示了昆蟲與植物病毒協(xié)同擴(kuò)散的分子、生理機(jī)制,發(fā)現(xiàn)了雙生病毒調(diào)控植物對(duì)媒介昆蟲和非媒介昆蟲的抗性機(jī)制;揭示了多種植物雙生病毒的復(fù)制機(jī)制。研究結(jié)果可為防控蟲媒病害提供新的靶點(diǎn),也可為實(shí)現(xiàn)綠色防控雙生病毒病害提供理論依據(jù)[28-29]。此外,還識(shí)別鑒定了多個(gè)抗病毒因子及作用機(jī)制。首次建立了植物多分體負(fù)鏈RNA病毒的反向遺傳學(xué)體系,證明抗病毒RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合體靶向番茄斑萎病毒(tomato spotted wilt virus,TSWV)mRNA而不是基因組RNA,篩選鑒定了大量抗病基因突變體,獲得了對(duì)番茄斑萎病毒田間抗性突破株系具有良好抗病作用的抗病基因新材料。明確了抗病毒因子抵御番茄斑萎病毒的侵染過(guò)程,揭示了植物免疫受體蛋白通過(guò)兩步識(shí)別機(jī)制監(jiān)測(cè)番茄斑萎病毒入侵的識(shí)別新途徑,揭示了植物免疫受體監(jiān)控病毒靶向激素受體誘導(dǎo)抗病的全新機(jī)制[24-25]。
重點(diǎn)針對(duì)“一帶一路”國(guó)家和我國(guó)周邊國(guó)家與邊境地區(qū)潛在/新發(fā)和重大農(nóng)業(yè)入侵生物,研發(fā)了入侵物種不同來(lái)源數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)融合、數(shù)值增效、場(chǎng)景模擬技術(shù),構(gòu)建了我國(guó)入侵物種數(shù)據(jù)庫(kù)及其預(yù)判預(yù)警平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了信息的即時(shí)可視化顯示,為入侵物種風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了翔實(shí)的數(shù)據(jù)支撐,也為入侵物種預(yù)警與防控提供了指導(dǎo)。改進(jìn)了物種分布生態(tài)位模型、集成模型和經(jīng)濟(jì)損失模型等生物和擴(kuò)散地理學(xué)方法,創(chuàng)新了傳入、定殖、擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估模型與管理策略,實(shí)現(xiàn)了潛在和新發(fā)入侵物種全程風(fēng)險(xiǎn)驅(qū)動(dòng)綜合評(píng)估預(yù)判,完成了120余種潛在和新發(fā)重大入侵物種的全程風(fēng)險(xiǎn)驅(qū)動(dòng)綜合評(píng)估預(yù)判,并制定了相應(yīng)的應(yīng)急處置預(yù)案,為入侵物種風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估和《外來(lái)入侵物種管理辦法》《國(guó)家重點(diǎn)管理外來(lái)入侵物種名錄》制定提供了支撐。創(chuàng)新了潛在和新發(fā)入侵物種精準(zhǔn)甄別和智能監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)30余種/套,建立了高精度入侵植物智能識(shí)別App系統(tǒng)、微小入侵昆蟲DNA條碼快速鑒定系統(tǒng)、種特異性分子檢測(cè)技術(shù),入侵昆蟲遠(yuǎn)程無(wú)人監(jiān)測(cè)技術(shù)、重要入侵雜草圖像識(shí)別與監(jiān)測(cè)等,實(shí)現(xiàn)了潛在和新發(fā)入侵物種精準(zhǔn)甄別溯源和實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè),為入侵物種關(guān)口前移的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)和擴(kuò)散阻截等防控管理提供了技術(shù)支撐。
2.2.1入侵物種預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估
建立了新發(fā)外來(lái)入侵物種的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)評(píng)估模型。利用虛擬物種構(gòu)建200余種應(yīng)用場(chǎng)景,構(gòu)建了一套評(píng)估入侵物種潛在適生區(qū)預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確率的技術(shù),通過(guò)多物種驗(yàn)證并明確了針對(duì)不同入侵生物類群的模型選擇策略,建立了入侵物種跨區(qū)域擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)的定量評(píng)估模型,為新發(fā)外來(lái)入侵物種跨區(qū)域擴(kuò)散的定殖風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)提供了技術(shù)支撐。集合生態(tài)位理論、改進(jìn)的物種分布模型、集成模型等生物地理學(xué)方法,完成了30余種潛在、新發(fā)重大入侵物種在我國(guó)的傳入、定殖、擴(kuò)散和危害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[30-33],提升了早期預(yù)警、阻止入侵、狙擊擴(kuò)散、生態(tài)調(diào)控等主動(dòng)防控應(yīng)對(duì)能力,為入侵物種風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估、入侵物種名錄制定提供了支撐。目前,已定量評(píng)估了20余種入侵物種的傳入風(fēng)險(xiǎn)和潛在、新發(fā)重大入侵物種在我國(guó)的定殖風(fēng)險(xiǎn),提升了“一種一策”前瞻性風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判預(yù)警水平。此外,構(gòu)建了定量評(píng)估重大入侵病害梨火疫病、潛在入侵昆蟲非洲黏蟲Spodopteraexempta等的經(jīng)濟(jì)損失模型,提升了潛在經(jīng)濟(jì)損失研判能力。明確了多種入侵物種和本土天敵生物的生態(tài)位格局,明確了環(huán)境因子、氣候變化對(duì)入侵物種空間分布格局的影響,構(gòu)建了物種針對(duì)性的空間生態(tài)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。創(chuàng)新了“生態(tài)調(diào)控”風(fēng)險(xiǎn)管理新思路[34]。
2.2.2入侵物種精準(zhǔn)檢測(cè)與智能識(shí)別
針對(duì)現(xiàn)有外來(lái)入侵植物監(jiān)測(cè)效率低、物種單一的問(wèn)題,利用野外入侵植物的多光譜和高清圖像,分別構(gòu)建了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的外來(lái)入侵植物智能識(shí)別模型,建立了圖像識(shí)別的深度學(xué)習(xí)模型和深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建了入侵植物圖像快速智能識(shí)別 App平臺(tái)系統(tǒng)和入侵植物的無(wú)人機(jī)圖像監(jiān)測(cè)技術(shù),并解析了尺度、季節(jié)等變化下入侵植物表型特征對(duì)識(shí)別模型的影響,提高了智能識(shí)別模型對(duì)野外環(huán)境的適應(yīng)性;基于識(shí)別結(jié)果開發(fā)了入侵植物關(guān)鍵植被參數(shù)預(yù)測(cè)模型,結(jié)合入侵植物生物學(xué)特性和環(huán)境因子,成功構(gòu)建了微甘菊、互花米草Spartinaalterniflora等100余種外來(lái)入侵植物的擴(kuò)散及危害預(yù)警系統(tǒng),為外來(lái)入侵植物的科學(xué)防治提供了客觀數(shù)據(jù)[34];針對(duì)入侵物種特異性快速分子識(shí)別靶基因,建立了入侵生物的精準(zhǔn)檢測(cè)技術(shù),發(fā)展了昆蟲DNA條形碼快速識(shí)別系統(tǒng),研制了快速分子檢測(cè)產(chǎn)品[36-37];建立了基于機(jī)器學(xué)習(xí)、信息化網(wǎng)絡(luò)的入侵害蟲美洲斑潛蠅Liriomyzasativae、草地貪夜蛾Spodopterafrugiperda、地中海實(shí)蠅Ceratitiscapitata、南亞果實(shí)蠅Bactroceratau等的實(shí)時(shí)智能識(shí)別和口岸實(shí)時(shí)監(jiān)控[38];利用微衛(wèi)星標(biāo)記、線粒體基因組等技術(shù)明確了新發(fā)、重大入侵物種番茄潛葉蛾、馬鈴薯甲蟲等的地理種群遺傳多樣性[39],解決了入侵物種溯源追蹤,為西北擴(kuò)散前沿區(qū)入侵物種擴(kuò)散分布預(yù)測(cè)及綠色精準(zhǔn)治理技術(shù)研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
2.2.3基于大數(shù)據(jù)的入侵物種可視化監(jiān)測(cè)平臺(tái)
基于大區(qū)域跨境農(nóng)業(yè)入侵生物信息資源的多源異構(gòu)特性,通過(guò)對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)及物種信息的判定、確證和數(shù)據(jù)整合分析,得到潛在農(nóng)業(yè)入侵物種7 000余種。進(jìn)一步通過(guò)數(shù)據(jù)篩選,并結(jié)合生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、適生性等評(píng)判,獲得潛在農(nóng)業(yè)有害入侵生物 1 200 余種(包括植物390種、動(dòng)物570種、病原物270種),構(gòu)建了大區(qū)域跨境農(nóng)業(yè)入侵生物信息庫(kù)[2,40]。圍繞潛在農(nóng)業(yè)入侵生物的多源異構(gòu)數(shù)據(jù),研發(fā)數(shù)據(jù)重構(gòu)分析和可視化分析技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)跨境農(nóng)業(yè)入侵生物信息數(shù)據(jù)時(shí)空分析的可視化展示。以物種的中文名或拉丁學(xué)名進(jìn)行模糊查詢,實(shí)現(xiàn)潛在農(nóng)業(yè)入侵生物的累積截獲批次、來(lái)源國(guó)家、涉及口岸等可視化信息展示?;谌肭稚锒嘟M學(xué)大數(shù)據(jù),構(gòu)建了130多種入侵物種(包括植物31種、動(dòng)物100種)基因組數(shù)據(jù)庫(kù)InvasionDB (http:∥www.insect-genome.com/invasiondb/)[41],開發(fā)了基因組分析軟件,根據(jù)入侵昆蟲的基因組學(xué)特性,實(shí)現(xiàn)從基因組角度預(yù)測(cè)昆蟲入侵性;挖掘了化感、解毒、發(fā)育、滯育、代謝等與入侵致害緊密相關(guān)的基因家族;鑒別出一批可用于防治和風(fēng)險(xiǎn)分析的生物學(xué)靶點(diǎn)和潛在靶標(biāo)基因、信號(hào)化合物及信號(hào)傳導(dǎo)通路,為入侵生物后基因組時(shí)代的共性關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)提供了分子數(shù)據(jù)支持。
以蔬菜入侵害蟲為主要對(duì)象,圍繞“重要果蔬入侵害蟲種群擴(kuò)張、致害機(jī)理與綠色防控”問(wèn)題開展系統(tǒng)研究,揭示了美洲斑潛蠅、番茄潛葉蛾、蘋果蠹蛾、煙粉虱等重要果蔬入侵害蟲入侵、發(fā)生與擴(kuò)散的生態(tài)過(guò)程;建立了番茄潛葉蛾、蘋果蠹蛾等基于化學(xué)信息素監(jiān)測(cè)的擴(kuò)散阻截技術(shù)以及應(yīng)急處置技術(shù);引進(jìn)和挖掘了番茄潛葉蛾、美洲斑潛蠅等的天敵資源,評(píng)價(jià)篩選出高效天敵10余種,如潛葉蛾伲姬小蜂Necremnustutae、芙新姬小蜂Neochrysocharisformosa、煙盲蝽Nesidiocoristenuis等,并建立了規(guī)模化繁育和田間釋放技術(shù)[42-43],集成了生物防治和生態(tài)調(diào)控為核心的區(qū)域持續(xù)治理技術(shù);組織開展了以生物防治和生態(tài)調(diào)控為核心的持續(xù)治理技術(shù)研究及田間應(yīng)用,防治效果顯著提升。針對(duì)入侵我國(guó)的世界惡性雜草豚草Ambrosiaartemisiifolia、空心蓮子草、微甘菊等開展聯(lián)合攻關(guān),建立了天敵規(guī)模化繁育技術(shù)和繁育基地,創(chuàng)新了生物防治與替代控制關(guān)鍵技術(shù),集成了區(qū)域持續(xù)治理技術(shù)體系與應(yīng)用模式,成功解決了入侵雜草同域同期發(fā)生、交錯(cuò)連片成災(zāi)的控制難題,成為國(guó)際入侵雜草區(qū)域治理的成功范例。
2.3.1入侵雜草綜合防控技術(shù)
豚草、紫莖澤蘭、黃頂菊Flaveriabidentis、空心蓮子草是首批列入“國(guó)家重點(diǎn)管理外來(lái)入侵物種名錄”的世界惡性入侵雜草,利用生物防治、植物替代控制等關(guān)鍵技術(shù),集成了分區(qū)可持續(xù)治理技術(shù)體系及應(yīng)用模式并大面積推廣應(yīng)用,解決了4種入侵雜草同域同期發(fā)生、交錯(cuò)連片成災(zāi)的控制難題,遏制了其蔓延與危害。一是建立了廣聚螢葉甲Ophraellacommuna、蓮草直胸跳甲Agasicleshygrophila等天敵昆蟲,節(jié)桿菌Arthrobactersp. 等生防菌株的規(guī)?;a(chǎn)與輕簡(jiǎn)化應(yīng)用技術(shù),明確了其具有快速控制入侵雜草蔓延危害的控害能力。建立了3種天敵昆蟲(廣聚螢葉甲、蓮草直胸跳甲和豚草卷蛾Epiblemastrenuana)“冬季保種-室內(nèi)擴(kuò)繁-大棚增殖”三步簡(jiǎn)易規(guī)?;a(chǎn)技術(shù)流程,實(shí)現(xiàn)每種天敵昆蟲年生產(chǎn)達(dá)2億多頭規(guī)模;建立了節(jié)桿菌規(guī)模化發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù),成功研制了孢子懸浮劑和粉劑中試產(chǎn)品。建立了天敵昆蟲早春種群助增與夏季大量助遷的釋放技術(shù)。通過(guò)技術(shù)應(yīng)用,廣聚螢葉甲對(duì)豚草的控制效果達(dá)95%以上[44],蓮草直胸跳甲對(duì)空心蓮子草的控制效果達(dá)85%以上[45]。二是構(gòu)建了功能穩(wěn)定的替代植物群落,創(chuàng)建了入侵雜草生態(tài)屏障攔截與生態(tài)修復(fù)技術(shù)。建立了紫莖澤蘭、豚草和黃頂菊擴(kuò)散廊道前沿的生態(tài)屏障植物攔截帶,有效切斷入侵雜草自然擴(kuò)散路徑,攔截效果達(dá)86%以上。應(yīng)用非洲狗尾草Setariasphacelata+黑麥草Loliummultiflorum混種替代草場(chǎng)紫莖澤蘭,生物量降低95%以上[46];應(yīng)用紫花苜蓿Medicagosativa+‘冬牧70’黑麥草混播控制果園黃頂菊,使黃頂菊生物量降低97.8%[47];應(yīng)用紫穗槐Amorphafruticosa與象草Pennisetumpurpureum替代修復(fù)河壩與河灘成片發(fā)生的豚草,使豚草生物量降低92.3%[48]。
2.3.2入侵昆蟲綜合防控
以入侵我國(guó)的番茄潛葉蛾、紅火蟻Solenopsisinvicta、椰心葉甲Brontispalongissima等重大入侵昆蟲為對(duì)象,開展綜合防控技術(shù)研發(fā)應(yīng)用。針對(duì)危害人類健康的入侵物種紅火蟻,創(chuàng)建了高效檢疫、監(jiān)測(cè)、防治關(guān)鍵技術(shù)體系并廣泛應(yīng)用。明確了中國(guó)南方紅火蟻空間格局、地理分布和傳播路線,闡明了華南地區(qū)紅火蟻局域擴(kuò)散規(guī)律,篩選研制出了低毒高效毒餌、防水型毒餌,形成了防效較高的配套使用技術(shù);創(chuàng)建了適合我國(guó)廣東等9省/市區(qū)8類南方生態(tài)區(qū)不同季節(jié)的應(yīng)急防控技術(shù)體系[49]。
針對(duì)棕櫚科植物的毀滅性入侵害蟲椰心葉甲,集成了椰心葉甲預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、生物防治和化學(xué)應(yīng)急處理等關(guān)鍵防治技術(shù),引進(jìn)、馴化培育、釋放應(yīng)用了適宜國(guó)內(nèi)大面積應(yīng)用的天敵生物椰甲截脈姬小蜂Asecodeshispinarum和椰心葉甲嚙小蜂Tetrastichusbrontispae,研制了“以葉養(yǎng)蟲、以蟲繁蜂”的標(biāo)準(zhǔn)化天敵擴(kuò)繁工藝流程和貯運(yùn)技術(shù),研發(fā)出天敵專用釋放器和2種寄生蜂混合釋放技術(shù),研制了高效、低毒、低殘留專用殺蟲劑,發(fā)明了簡(jiǎn)便、減量施藥技術(shù),集成了以生物防治為主、化學(xué)防治為輔的綠色防控技術(shù)體系,取得顯著經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益[50]。
針對(duì)大面積為害蔬菜的入侵物種斑潛蠅,首次完成了我國(guó)全域分布及為害情況調(diào)查,初步揭示了入侵種斑潛蠅物種競(jìng)爭(zhēng)演替規(guī)律,從遺傳進(jìn)化角度揭示了新發(fā)入侵斑潛蠅的遺傳背景、傳入途徑、擴(kuò)散路徑等。在國(guó)內(nèi)調(diào)查了斑潛蠅天敵寄生蜂種類,并進(jìn)行了天敵昆蟲控害潛力評(píng)估,篩選出具有較強(qiáng)寄主致死能力的寄生蜂天敵芙新姬小蜂Neochrysocharisformosa[51]、萬(wàn)氏潛蠅姬小蜂Diglyphuswani[52]等。
針對(duì)新發(fā)入侵物種番茄潛葉蛾,開展了番茄潛葉蛾發(fā)生規(guī)律、不同防控技術(shù)對(duì)番茄潛葉蛾防控效果的評(píng)價(jià)研究,制定了番茄潛葉蛾的防控對(duì)策。研發(fā)了RNAi和CRISPR/Cas9技術(shù)平臺(tái),篩選獲得一批可作為番茄潛葉蛾RNAi綠色防治的靶標(biāo)基因;構(gòu)建了番茄潛葉蛾靶基因dsRNA/納米復(fù)合物的RNA干擾系統(tǒng),明確了納米顆粒包裹dsRNA的最佳融合比例和可增強(qiáng)dsRNA穩(wěn)定性的納米包裹技術(shù);創(chuàng)建了納米載導(dǎo)靶標(biāo)基因dsRNA防控番茄潛葉蛾的室內(nèi)應(yīng)用體系,為后續(xù)應(yīng)用于溫室/田間提供了前提條件[53]。測(cè)定了新型蘇云金芽胞桿菌基因工程菌G033A(Bt G033A)對(duì)該昆蟲的室內(nèi)毒力及田間防效,篩選了19種番茄潛葉蛾田間化學(xué)防控藥劑,獲得5種化學(xué)防控藥劑用于生產(chǎn)[54]。
針對(duì)作物重大入侵害蟲稻水象甲Lissorhoptrusoryzophilus,研究提出了適宜生產(chǎn)實(shí)際、操作性強(qiáng)的稻水象甲持續(xù)防控和應(yīng)急防控技術(shù)。一是在育秧期“隔離”,即利用無(wú)紡布覆蓋育秧田與外界隔離,阻止稻水象甲成蟲的取食活動(dòng);二是實(shí)施秧苗適時(shí)“早移栽”,即利用稻水象甲的成蟲取食趨嫩性,適當(dāng)提早移栽,使水稻葉片表皮角質(zhì)層增厚程度提高,惡化稻水象甲成蟲營(yíng)養(yǎng)條件;三是在育秧移栽緩苗后實(shí)施“曬田”,惡化稻水象甲幼蟲種群的生存環(huán)境,大幅度降低蟲口密度。通過(guò)上述生態(tài)調(diào)控措施有效地降低了稻水象甲的為害[55-56]。
國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)梳理總結(jié)入侵物種相關(guān)理論、防控技術(shù),在整合基礎(chǔ)與應(yīng)用研究的成果和經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,編著了從生物入侵理論(《入侵生物學(xué)》)到技術(shù)方法(《生物入侵:預(yù)警篇》《生物入侵:檢測(cè)與監(jiān)測(cè)篇》《生物入侵:入侵生物篇》)與管理(《生物入侵:管理篇》)的系列專著、圖鑒、科普與教材17部,建立了我國(guó)入侵生物學(xué)的學(xué)科框架與理論體系。
為了落實(shí)黨中央、國(guó)務(wù)院關(guān)于“對(duì)已經(jīng)傳入并造成嚴(yán)重危害的(外來(lái)入侵物種),要摸清底數(shù),‘一種一策’精準(zhǔn)治理,有效滅除”的相關(guān)要求,我國(guó)學(xué)者開展了普查技術(shù)規(guī)范、實(shí)施方案、風(fēng)險(xiǎn)與防控對(duì)策研究,推動(dòng)了2022年全國(guó)農(nóng)業(yè)外來(lái)入侵物種普查。積極開展入侵物種防控科普知識(shí)宣傳,相關(guān)工作多次被CCTV13、CCTV17、人民日?qǐng)?bào)、人民日?qǐng)?bào)海外版、人民網(wǎng)、中央廣播電視總臺(tái)、新媒體直播等主流媒體報(bào)道。此外,為支撐防控管理需求,撰寫了系列政策管理建議和咨詢報(bào)告,其中《如何實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)重大入侵生物前瞻性風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和實(shí)時(shí)控制》入選2020年度中國(guó)科協(xié)十大工程技術(shù)難題,為國(guó)家/行業(yè)部門管理決策提供科技支撐。
研究制定了系列外來(lái)入侵防控技術(shù)方案、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、防控技術(shù)科普讀物/手冊(cè)/明白紙/視頻等,如編印出版科普著作與讀物50余部(套),包括《入侵生物學(xué)》(教材)、《生物入侵:中國(guó)外來(lái)入侵植物圖鑒》《生物入侵:中國(guó)外來(lái)入侵動(dòng)物圖鑒》《入侵生物識(shí)別圖冊(cè)》《農(nóng)業(yè)外來(lái)入侵物種知識(shí)100問(wèn)》等。相關(guān)部門和單位制作綜合防治視頻、短片等20余部,近10年開展微甘菊、刺萼龍葵、蘋果蠹蛾等重大入侵物種全國(guó)性集中滅除活動(dòng)50余次,滅除率達(dá)到70%以上,取得顯著防控成效,具備支撐外來(lái)入侵物種防控和推動(dòng)行業(yè)科技進(jìn)步的良好科技創(chuàng)新能力和水平。
在外來(lái)物種入侵形勢(shì)日趨復(fù)雜的背景下,我國(guó)生物入侵防控科技支撐能力在諸多方面仍然存在不少薄弱環(huán)節(jié)。一是外來(lái)物種入侵防控關(guān)鍵核心科技領(lǐng)域亟須創(chuàng)新突破。要研究摸清重大危害物種發(fā)生擴(kuò)散規(guī)律及微觀成災(zāi)機(jī)理,不斷發(fā)展和完善農(nóng)業(yè)重大入侵物種災(zāi)變的監(jiān)測(cè)預(yù)警體系,集中攻克一批快速鑒定、高效誘捕、生防天敵等實(shí)用技術(shù)和產(chǎn)品,集成生態(tài)控制、生物防治、理化誘控等綜合防控技術(shù)體系。二是科技支撐平臺(tái)建設(shè)需要加強(qiáng)。核心技術(shù)平臺(tái)、高等級(jí)農(nóng)業(yè)生物安全實(shí)驗(yàn)室、監(jiān)測(cè)觀察基地、研究試驗(yàn)示范基地建設(shè)目前仍有較大缺口。三是智庫(kù)人才建設(shè)要進(jìn)一步加強(qiáng)。亟須優(yōu)化資源配置,激發(fā)人才隊(duì)伍活力,充分發(fā)揮專業(yè)人才在入侵物種治理體系建設(shè)和治理能力提升中的貢獻(xiàn)作用[1]。
近十年,國(guó)內(nèi)外入侵生物學(xué)科研究整體上處于相近水平。在入侵物種預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型構(gòu)建方面,我國(guó)雖然有所突破,但仍依賴并局限于國(guó)外先前開發(fā)的擴(kuò)散模型,新模型新理論有待豐富和創(chuàng)新;在入侵物種監(jiān)測(cè)檢測(cè)、智能識(shí)別技術(shù)方面,世界各國(guó)疆域內(nèi)均存在入侵物種數(shù)量多、全域監(jiān)測(cè)技術(shù)開發(fā)難度大的問(wèn)題,但整體技術(shù)上趨同化嚴(yán)重,隨著數(shù)字化、信息化技術(shù)的不斷推廣應(yīng)用,未來(lái)在入侵物種監(jiān)測(cè)檢測(cè)技術(shù)靈敏度和裝備研發(fā)方面有發(fā)展空間;在入侵物種快速滅除與綜合防控技術(shù)方面,國(guó)內(nèi)外科學(xué)家均深入研究了入侵物種生態(tài)適應(yīng)性進(jìn)化規(guī)律、與本土物種的互作等內(nèi)容,在此基礎(chǔ)上,開發(fā)了針對(duì)性的化學(xué)滅除、生物生態(tài)治理新技術(shù)與新產(chǎn)品,但適合不同應(yīng)用場(chǎng)景的入侵物種防控應(yīng)用示范模式尚待優(yōu)化。此外,我國(guó)已經(jīng)建立了國(guó)家外來(lái)有害生物監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái),有害生物資源利用平臺(tái)和多個(gè)國(guó)家級(jí)技術(shù)產(chǎn)品應(yīng)用示范基地,有力推動(dòng)了防控技術(shù)的儲(chǔ)備和推陳出新,但已有平臺(tái)、基地在智能聯(lián)動(dòng)和大數(shù)據(jù)的采集、分析與實(shí)時(shí)可視化監(jiān)測(cè)技術(shù)水平方面還有待提升。