【基金】2010CB126200-稻飞虱灾变机理及可持续治理的基础研究

项目名称：稻飞虱灾变机理及可持续治理的基础研究首席科学家：娄永根 浙江大学起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：教育部 农业部 浙江省科技厅一、研究内容(一) 拟解决的关键科学问题长期以来，人们为了更好地防治农业害虫的危害，对影响害虫发生数量和危害程度的因素作了大量研究，尤其是在引起害虫频繁暴发的外部原因以及开发依靠外部干扰以控制害虫危害的技术等方面。但是，尚缺乏从内因，即从害虫本身生物学特性的内在分子机制和生态系统中物种间协同进化所形成的生理、生态和分子机理来充分认识害虫灾变的机理，因而尚未能提供一套较为完善的可以协调集约农业与害虫可持续治理的技术体系。随着世界人口的持续增长和集约农业对环境压力的增大，如何协调集约农业生产和环境的可持续发展已成为农业科学研究的热点。稻飞虱作为威胁亚洲水稻生产最为严重的害虫及其发生的特点，为我们提供了深入探讨以下二个与此相关的关键科学问题的好材料。1、稻飞虱适应集约稻田生态系统的内在机理 稻飞虱是以高产品种和高化学投入为主要技术的第一次绿色革命所诱发的害虫，具有r-对策昆虫所具有的个体小、年世代数多、生殖能力强、具迁飞习性和自然控制作用大等特性。像其它在农田生态系统频繁发生的害虫一样，适应了农田生态系统生长季节较短、农事操作和气候多变的特点，进化形成了快速发育、翅型分化和迁飞特性，可以及时形成长翅型以迁飞躲避不良的环境条件，又能在迁往适宜地区后立即转化为短翅型，发挥其高生殖能力，有利于种群的快速增长。稻飞虱进化适应了农田系统的高化学投入，并能把一些农药、化肥等化学品对生态系统的影响转化为提高自身种群增长的动力。同时，在长期的进化过程中，稻飞虱形成了与稻田生态系统中的其它物种间的紧密联系。例如，褐飞虱进化发展了对寄主抗性适应性演变能力，可以克服水稻抗性；稻飞虱也与一些微生物，包括病毒、真菌和细菌，建立了互利关系；三种稻飞虱也进化形成了各自的时间、空间和营养生态位及特定的生物学特性，以充分利用自然资源及避免相互间的不利影响。此外，稻飞虱与稻田天敌间也进化形成了一定的时间和空间生态位，以及行为的差异或重叠，以致逃避了一些天敌的捕食，但又成为了另一些天敌的重要食物。多年来，对于稻飞虱的重要生物学特性以及水稻、稻飞虱、病毒、天敌等多物种间互作关系开展了大量的生态学研究，但并未深入探索这些生物学特性的分子基础以及多物种互作的生理生化和分子调控机理，因而尚缺乏对稻飞虱适应集约农业生态系统内在机理的理解，在一定程度上制约了稻飞虱可持续治理研究工作的发展。随着分子生物学技术的发展，人们有可能在分子水平探索害虫这些生物学特性以及多物种间互作的内在本质，认识现代农业生态系统害虫频繁暴发的内在原因，综合以往研究所了解的害虫灾变生态学机理，从而从深层次揭示现代农业生态系统导致一些害虫频繁暴发的内在规律。2、集约农业和稻飞虱可持续治理协调技术体系的生态学基础 鉴于我国人口众多，资源相对贫乏，实施集约农业以提高单位面积的产出是我国农业发展的必经之路。然而，集约农业大面积种植经人为长期选择而遗传多样性下降的高产品种，大量使用农用化学品，使农业生态系统生物多样性进一步下降，自然控制作用进一步削弱，导致害虫频繁暴发成灾，严重制约了农业的可持续发展。因而，能否确保粮食安全的一个重要关键就是能否实现高产品种和化学投入等集约农业技术与害虫持续治理技术的协调。然而，实现集约农业和害虫可持续治理技术协调的前提是对集约农业技术对农业生态系统可能产生的生态效应的全面理解。但是，以往的研究往往仅注重一些局部环节，而缺乏从生态系统整体的理解以及从生态系统整体探索可持续治理的技术，在一定程度上制约了集约农业和稻飞虱可持续治理技术的协调。例如，以往的抗性品种研究主要集中在水稻的直接抗性，特别是对抗取食性基因的发现和杂交选育，结果所培育的抗性品种仅使用数年就因新致害型的出现而失去了抗性。研究表明水稻对稻飞虱直接抗性是多样的，而且也发展了经稻飞虱取食危害而诱导产生挥发性化合物以吸引稻飞虱天敌进行防御的间接抗性，开拓了培育协调品种抗性和生物防治的新途径。生态学研究表明生物多样性与害虫暴发频率和强度有密切关系，然而对于如何建立特定农业生态系统中可有效控制害虫灾变的基因多样性、物种多样性和生境多样性等的理论和策略仍处于研究探索过程中。因此，有必要从宏观生态学角度深入研究稻飞虱的迁飞路线及其影响因子，明确虫源地和受虫地间稻飞虱种群时间、数量和遗传结构动态及其与农业技术和气候因子的定量关系，以及集约农业技术所营造的农业生态系统对生物多样性时空动态和稻飞虱种群发展影响的规律，并从微观生态学角度探索集约农业技术对稻飞虱生物学特性的影响以及稻飞虱适应集约农业技术的分子生态学机理，为集约农业和稻飞虱可持续治理协调技术体系的建立提供生态学基础。（二）主要研究内容从稻飞虱发生特点出发，上述科学问题在稻飞虱灾变和治理规律方面主要表现在以下几个环节：作为迁飞性害虫，明确受虫地的初始虫源地以及初始迁入虫源的时间、种群结构对受虫地种群动态的影响，是认识受虫地稻飞虱种群动态规律的基础（内容1）；揭示稻飞虱重要生物学特性的分子基础（内容2）以及水稻-稻飞虱-天敌、水稻-稻飞虱-病毒等种间的相互关系（内容3），即有害生物与水稻间为害/侵染与防御协同进化所建立的关系，是认识稻飞虱为什么会成为重要害虫的关键；明确农业技术，特别是农药是如何直接影响或改变稻飞虱的相关特性、或通过制约稻田生态系统各种生物成份对稻飞虱控制作用的机理，是揭示稻飞虱灾变机理的核心，也是实现稻飞虱可持续治理的前提（内容4）。围绕这些环节，依据稻飞虱生命系统各重要组成成分与灾变和治理的关系，设立以下研究内容：1、稻飞虱迁飞动态及其规律药基础研究建立稻飞虱或其共生和传带生物的区域性种群特异性分子标记或化学元素标记及检测方法，重点探索我国各主要稻区稻飞虱潜在虫源地，包括菲律宾、越南、泰国、缅甸、柬埔寨、老挝等国家和国内其它主要稻区间稻飞虱种群来源关系，并借助昆虫雷达、卫星遥感和地理信息系统等，结合稻飞虱迁飞行为、耕作制度、品种等农业技术和气候条件，明确我国各主要稻区的主要虫源地，探索区域尺度条件下稻飞虱种群结构的时空动态规律，明确灰飞虱迁飞可能性及其规律。同时，研究稻飞虱翅型分化和迁飞的分子机理，为实现稻飞虱虫源和迁飞时间的精细化预测以及源头治理提供科学依据。2、稻飞虱重要生物学特性的分子基础在建立稻飞虱基因数据库的基础上，利用基因组学、生物信息学、分子生物学、遗传学以及昆虫学等研究手段，深入研究与稻飞虱灾变和可持续治理密切相关的变态发育、翅型分化、致害性变异、获毒和传毒特性、高生殖能力以及抗药性等重要生物学特性的分子基础，为揭示稻飞虱成为稻田生态系统重要害虫的内在本质和调控机理、开拓稻飞虱治理新途径，并为进一步深入开展稻飞虱相关基础研究奠定基础。3、水稻、稻飞虱和病毒互作机理采用分子生物学、遗传学、病毒学、生理学、营养和化学生态学等研究手段，深入研究水稻、稻飞虱及其传播病毒病的互作关系，明确多营养层系统中水稻与稻飞虱互作、水稻直接和间接抗性的生理生化和分子调控机理，探索稻飞虱种群致害性演变与稻飞虱取食行为、营养代谢和体内共生菌等的关系，阐释稻飞虱获毒和传毒特性以及传毒种群形成发展的分子机理，稻飞虱所传播重要病毒病的流行学规律，发掘重要的水稻直接和间接抗稻飞虱和抗病毒病的基因资源，为持久型抗性品种的培育以及稻飞虱传播病毒病的早期监测、预警和治理提供重要的理论依据和技术支撑。4、集约农业技术导致稻飞虱频繁灾变的机制研究不同稻区品种、农业化学品以及其它农业技术对稻田生态系统调控稻飞虱灾变功能的影响、途径与机理，深入剖析杀虫剂、杀菌剂和除草剂等农药对稻飞虱发育和内禀生殖能力，以及主要天敌捕食行为和功能的影响和调控机理、稻飞虱对新烟碱类杀虫剂抗性的生理生化和分子机理，明确稻田生态系统对稻飞虱种群调控功能的组成以及导致不同稻田生态系统调控功能差异的主要因子及机制，揭示集约农业技术导致稻飞虱频繁灾变的机制，为探索提高稻田生态系统抗性，协调集约农业技术与稻飞虱的可持续治理技术体系提供理论与实践依据。二、预期目标（一）、总体目标通过本项目的研究，在稻飞虱迁飞规律、稻飞虱重要生物学特性分子基础、水稻、稻飞虱和病毒互作机理、集约农业技术导致稻飞虱频繁灾变的机制等方面取得原创性科学成果；克隆一批与稻飞虱重要生物学特性、水稻抗性等相关的基因，并阐明其生物学功能；建立一套调控稻田生态系统抗性与协调稻飞虱区域性治理技术的理论体系，为实现稻飞虱及其传播的病毒病的准确预警、抗性品种的培育和持续利用、稻田生态系统调控功能的增强以及建立协调集约农业技术和稻飞虱的可持续治理技术体系提供重要的理论依据和技术支持。同时，培养一批高水平的有害生物预警和治理研究人才，造就一支在国内具有骨干引领作用，在国际上具有重要影响力的创新研究团队，丰富和发展我国害虫管理的科学理论与实践，提升我国有害生物防控的原始创新和集成创新能力，使我国稻飞虱灾变规律和治理体系研究居国际领先。（二）、五年预期目标1、研究发现稻飞虱地理分布区域种群具有地理特征的分子或化学标记物及检测方法，明确主要虫源稻区稻飞虱的去向以及主要受虫稻区稻飞虱的来源地，阐明主要稻区间三种稻飞虱种群结构的时空动态规律，与农业技术部门密切配合，建立分别用于褐飞虱、白背飞虱和灰飞虱空间动态规律分析和预警系统，进一步完善稻飞虱灾变预警系统，为实现稻飞虱虫源的精细化异地预测和源头治理奠定基础。2、鉴定与分离8-10个与褐飞虱致害性、水稻直接或间接抗性相关的基因，并明确其生物学功能与调控机理，初步阐明稻飞虱致害性演变与水稻对稻飞虱抗性的分子遗传基础，建立稻飞虱致害性和水稻抗性的科学检测和评价方法，建立持久抗性品种培育和应用技术体系，与育种机构和专家密切配合，加速抗性品种的培育和延长抗性品种的使用寿命。3、研究稻飞虱遗传多样性与获得和传播病毒病能力的关系及其分子机理、病毒对稻飞虱种群适合度的影响、田间自然寄主在病害流行中的作用和介体昆虫与所传病毒间的协同致灾效应，明确病毒病流行学规律以及褐飞虱传播的齿叶矮缩病和草状矮化病，及白背飞虱传播的南方黑条矮缩病在我国流行的可能性，与农业技术部门密切配合，建立3个病毒病的流行学模型，为建立水稻病毒病的早期监测和预警系统，实现相关病毒病的有效控制提供基础。4、研究主要农药影响稻飞虱生殖发育和主要天敌捕食功能的途径、剂量效应以及调控机制，克隆与分离8-10个与稻飞虱生殖发育、抗药性和变态发育相关的基因，并系统剖析其生物学功能，初步揭示农药影响稻飞虱再增猖獗的生理与分子机理；比较不同稻区稻田生态系统对稻飞虱种群数量调控功能的差异及其生态学机理，揭示稻飞虱地理种群间的区域性动态规律，建立稻飞虱区域性可持续治理策略研究系统模型，与农业技术部门密切配合，为制订适用于集约农业的稻飞虱可持续治理技术体系提供依据。5、培养一批有国际影响的中青年学科带头人和学术骨干，硕士生100名、博士生50名、博士后10名；争取培养全国优秀博士论文获得者1-2名，国家杰出青年基金获得者1-2名；争取获得部级或国家级研究创新团队1个以上。6、获得20个以上拥有自主知识产权的功能基因并明确其生物学功能；在SCI源期刊发表论文100篇以上，其中有重要国际影响的论文30篇以上，出版有重要创新意义的学术专著3部；申请国家发明专利10-15项。三、研究方案（一）总体研究思路、技术路线及可行性1、总体研究思路：本项目针对依赖于高产品种和化学投入的集约农业技术显著削弱了稻田生态系统自然控制作用，导致稻飞虱及其所传播的病毒病频繁暴发的实际，从稻田生态系统整体出发，通过阐明稻飞虱灾变相关生物学特性的内在分子基础，以及水稻品种、自然控制作用和农业化学投入等重要环境因子对稻飞虱的调控作用与机理，从微观和宏观层次上全面探索稻飞虱频繁灾变的规律，为协调集约农业和稻飞虱可持续治理技术，建立符合可持续发展要求的高产稻田生态系统，确保粮食安全提供理论基础。2、技术路线：本项目将采用以生物技术和信息技术为核心的技术体系，通过综合运用分子生物学、基因组学、蛋白组学、生物信息学、遗传学、分析化学、生物化学、遗传学、生理学、生态学、病毒学、气象学和信息科学等方法与研究手段，根据稻飞虱发生特点，针对稻飞虱种群数量和遗传组成的时空动态、水稻-稻飞虱-天敌协同进化关系、水稻-稻飞虱-病毒协同进化关系、稻田生态系统对稻飞虱种群数量动态的调控作用等与稻飞虱灾变和治理相关的重要问题，以及与这些问题密切相关的稻飞虱变态发育与翅型分化、致害性变异、带毒和传毒能力和高生殖能力等重要生物学特性的分子基础开展研究，以阐明稻飞虱灾变的内在机理，为稻飞虱可持续治理体系建设提供理论依据（图1）。 图1，项目主要研究对象，研究内容和预期目标关系示意图3、可行性分析本项目在总体设计、研究基础、研究手段和国内外支持体系等方面所具有的优势，可以保证项目按计划完成，并取得预期创新成果。研究思路新颖：研究将针对稻飞虱长期研究中存在的关键科学问题，既从分子水平重点对稻飞虱生命系统重要组成成份及其相互关系进行深入研究以阐明其灾变的内在机制，又从系统整体进行整合，采用比较生态学的方法对不同地理区域生态系统的同种稻飞虱发生动态，以及同一区域相同生态系统的不同种稻飞虱发生动态进行比较研究，从微观和宏观同时加深对灾变机制的理解。研究基础扎实：项目成员单位已在稻飞虱迁飞、稻飞虱与水稻相互关系、稻飞虱种群动态规律、农用化学品对稻飞虱及其天敌的影响、水稻病毒病流行学等方面积累了大量资料，繁衍与获得了稻飞虱致害性、抗药性和带病毒的各种品系，建立了水稻T-DNA插入突变体库，并且已经找到了多个抗或感飞虱的突变体水稻品系，克隆与鉴定了2个抗飞虱基因，1个已申请专利等。同时，已研究开发了用于研究稻飞虱迁飞的雷达、检测捕食性天敌控制稻飞虱作用的相关技术，为本项目的深入研究奠定了坚实基础。研究手段先进：本项研究将采用近年发展的新技术，例如在迁飞动态研究中将采用分子生物学、化学分析和新型雷达技术，确定稻飞虱迁飞路线；在水稻与稻飞虱关系研究上将充分利用水稻基因组信息，结合已开展的稻飞虱基因组学的研究，探索水稻和稻飞虱相互关系分子机理；在稻飞虱及其天敌关系研究方面，将采用以DNA为基础的检测方法，在田间客观地检测和比较实际自然控制作用，深入了解稻田自然控制作用和机理等。研究体系强大：依托4个与本项目研究内容密切相关的国家重点实验室（水稻生物学国家重点实验室、生物防治与资源利用国家重点实验室、植物分子遗传学国家重点实验室和植物病虫害生物学国家重点实验室）和多个部门重点开放实验室，拥有我国一流的人才和设施条件，为本项研究提供了坚实的学术保障和物质基础。国际合作支撑：项目申报和一些参加单位与国际水稻研究所等机构有长期实质性合作关系，自上一世纪80年代开始就一直连续共同参与了由世界粮农组织（FAO）、瑞士发展合作局（SDC）和亚洲开发银行（ADB）资助的水稻害虫综合治理国际合作研究项目，不仅在人才交流、学生培养和学术讨论会等方面建立起互动机制，而且在稻飞虱研究方面取得了重要合作研究成果与共识。(二) 特色和创新点本项目的研究目标是为实现对稻飞虱可持续治理提供理论依据和途径，与国内外同类研究相比，在项目设计和组织上具有以下特色和创新。 在研究组织层次上，将在以往大量稻飞虱个体、种群和群落水平研究的基础上，重点加强基因和生态系统水平的研究，能进一步在物种水平揭示长期进化过程导致稻飞虱有能力成为重要有害生物的内在生物学机制，以及从生态系统整体揭示在协同进化过程中使稻飞虱成为现代农业生态系统重要害虫的生态学机理，全面理解稻飞虱频繁灾变的机理。在研究主要内容上，将在以往大量相邻两营养层物种间生态学研究的基础上，重点加强多营养层物种间互作关系及其调控机理的研究，以能更全面理解稻田生态系统中稻飞虱及其重要关联物种互作的规律，例如水稻间接抗性和稻飞虱对水稻抗性的适应性演变的作用途径和调控机理等，从而为从生态系统整体理解稻飞虱灾变机理，以及拓展稻飞虱可持续治理途径提供依据。在研究空间尺度上，将在以往主要研究地区内稻飞虱动态规律研究的基础上，重点加强区域间稻飞虱动态相互关系的研究，以更好地适应经济全球化所带来大范围使用相同农业技术而产生的新问题，有利于探索迁飞性稻飞虱种群结构区域性变异的格局，并从更大范围探索区域间稻飞虱种群结构组成时空动态的相互关系和发展规律，开拓实施稻飞虱区域性治理计划的途径。在研究技术手段上，将在以往主要采用生态学研究方法的基础上，综合运用生态、分子、化学和信息技术，能更有效地综合运用各种必要的研究设施，在研究层次、研究内容和研究空间等方面取得突破，从而有望使稻飞虱灾变和治理的研究从以往主要对生态学现象的描述向今后对其生物学本质的揭示转变，为实现稻飞虱的可持续治理奠定基础。在研究队伍组织上，将在以往各学科单独研究的基础上，组织昆虫学、植物病毒学、植物学、分子生物学和信息科学等多学科专家联合攻关，不仅可以充分发挥以往在昆虫学和植物病毒学研究领域中所积累的工作基础和研究经验，而且可以结合植物学、分子生物学和信息科学等方面专家的研究特色和专长，从而取得原创性成果。 基于上述研究特色，本项目可在与稻飞虱灾变和治理密切相关的重要问题，例如迁飞规律、致害性演变和农药生态毒理效应的机理等方面有所突破，并取得明确稻飞虱精细迁飞路线图、揭示褐飞虱致害性演变的遗传规律、发现农药诱导高生殖力的生理和分子机制以及稻飞虱获得、复制和传播病毒病的分子机理等创新性成果，为有效改善稻飞虱灾变预警、抗性品种的培育和应用、以及化学农药的科学开发和使用，实现可持续治理奠定基础。(三)课题设置课题1、稻飞虱迁飞与种群结构时空动态规律研究研究内容：以褐飞虱、白背飞虱和灰飞虱为研究对象，采用以分子生物学、3S技术、昆虫雷达技术、计算机网络信息技术和大气中尺度模拟技术为支撑的研究手段，通过多学科交叉、宏微观结合、观测与模拟同步、生理生态学试验与数值试验并重的多尺度和多途径综合研究，建立稻飞虱或其共生和传带生物的区域性种群特异性分子标记或化学元素标记及检测方法，重点探索我国各主要稻区与潜在虫源地间稻飞虱种群来源关系，并结合稻飞虱迁飞行为、大气环流、降雨、耕作制度、品种等农业技术和气候条件，明确我国各主要稻区的主要虫源地，探索区域尺度条件下稻飞虱种群数量和遗传组成的时空动态规律，明确灰飞虱迁飞可能性及其规律；同时，研究稻飞虱翅型分化和迁飞的分子机理，为实现稻飞虱虫源和迁飞时间的精细化预测、区域性暴发的实时监测和源头治理提供科学依据。具体研究内容包括：1、褐飞虱迁飞行为的分子基础及其迁飞路径研究（1）褐飞虱翅型分化和迁飞相关重要功能基因及调控机理研究（2）褐飞虱地理种群特异性分子和化学标记物及其检测方法研究（3）我国主要稻区各代迁入褐飞虱虫源来源地的追溯和验证2、褐飞虱和白背飞虱种群结构的时空动态规律和预警体系研究（1）褐飞虱种群结构大尺度时空动态及其与气流和耕作制度变化关系研究 （2）白背飞虱种群结构大尺度时空动态及其与气流和耕作制度变化关系研究（3）褐飞虱和白背飞虱种群结构区域性时空动态监测和预警体系方法学研究3、灰飞虱飞行能力、迁移行为及大发生种群形成机制研究（1）灰飞虱飞行能力、扩散和上灯行为及其相关生态生理机制研究（2）灰飞虱休眠滞育特性与大发生种群形成及传毒规律的关系的研究（3）灰飞虱及其所传播的病毒病发生发展的区域性特点及其规律研究预期目标：（1）探索褐飞虱迁飞行为的分子基础，研究开发褐飞虱地理种群区域性特征分子和化学标记以及检测方法，为明确我国褐飞虱迁飞路径提供基础。（2）明确褐飞虱和白背飞虱种群结构大尺度时空变化动态，及其与高空气流、耕作制度及相关农业技术变化的关系，为建立预警系统奠定基础。（3）明确灰飞虱飞行行为、扩散迁移特性、休眠滞育特性以及大发生种群形成机制，阐明灰飞虱大范围迁飞的可能性，以及迁飞对所传播病毒病流行的影响。承担单位：南京农业大学、中国农业科学院植物保护研究所课题负责人：翟保平学术骨干：陈法军、程登发、李飞、刘向东、张云慧经费比例：17%课题2、稻飞虱致害性变异与水稻抗性的生理生化与分子遗传基础研究内容：以稻飞虱致害性变异与水稻抗性的分子遗传基础为研究重点，采用分子生物学、遗传学、基因组学、蛋白质组学、生理学、营养和化学生态学等研究手段，利用水稻功能基因组的相关研究结果，通过研究多营养层系统中水稻与稻飞虱的互作关系及水稻所表现的直接和间接抗性的生理生化和分子调控机理，分析稻飞虱种群致害性演变与稻飞虱取食行为、营养代谢和体内共生菌等的关系，剖析一些重要生物与非生物环境因子对水稻抗稻飞虱能力的影响与机理，加深稻飞虱与寄主水稻互作关系的理解，揭示褐飞虱致害性演变和水稻抗稻飞虱的生理生化与分子遗传基础。同时，发掘重要的水稻直接抗性和间接抗性基因，为培育持久型抗性品种提供重要的理论依据和技术支撑。具体研究内容包括：1、褐飞虱致害性变异的生理生化机制和遗传学规律研究（1）褐飞虱致害性变异与其取食行为和营养代谢等生物学性状的关系（2）褐飞虱共生菌在致害性变异中的作用及其机理（3）褐飞虱致害性变异的分子调控机理和遗传学规律2、水稻抗稻飞虱性的分子遗传基础（1）水稻抗稻飞虱基因的高通量筛选、克隆和鉴定 （2）水稻对稻飞虱直接抗性基因的生物学功能和分子调控机理研究（3）水稻对稻飞虱间接抗性基因的生物学功能和分子调控机理研究3、环境因子对水稻抗稻飞虱性和稻飞虱致害性的影响及其机理（1）异种稻飞虱共存对水稻抗稻飞虱性和稻飞虱致害性的影响及其机理（2）其它生物因子对水稻抗稻飞虱性和稻飞虱致害性的影响及其机理（3）非生物因子对水稻抗稻飞虱性和稻飞虱致害性的影响及其机理预期目标：（1）鉴定与分离与褐飞虱致害性变异相关的重要基因，剖析其生物学功能与分子调控机理，初步明确褐飞虱致害性变异的分子遗传基础；探明随致害性变异褐飞虱相关生物学特征，如取食行为、营养需求等的变化，为褐飞虱致害性监测和抗性品种的持续利用提供理论依据；（2）克隆多个水稻抗稻飞虱的重要基因，明确其生物学功能与分子调控机理，揭示水稻对稻飞虱抗性的分子遗传基础；发掘水稻直接抗性和间接抗性的基因资源，为持久型抗性品种的培育提供重要的基因资源和科学方法；（3）阐明重要生物与非生物环境因子对水稻抗稻飞虱能力的影响及其机理，从生态系统整体认识水稻和稻飞虱的相互关系，为从生态系统全局观点出发培育抗稻飞虱品种及建立可持续发展的高产稻田生态系统提供理论依据和实践指导。承担单位：中国科学院上海生命科学研究院、浙江大学课题负责人：娄永根学术骨干：蒋明星、苗雪霞、薛庆中、杨晓楠、姚洪渭经费比例：19%课题3、稻飞虱与水稻病毒病暴发流行的生态和分子基础研究研究内容：以水稻-稻飞虱-病毒互作为研究重点，采用植物病毒学、昆虫学、分子生物学和植病流行学等研究手段，深入研究稻飞虱遗传多样性与获取、携带、传播病毒病能力的关系，以及病毒对稻飞虱种群适合度的影响，揭示带毒种群形成的生理和分子调控基础；调查田间自然寄主在病害侵染循环中的作用，以及介体昆虫与所传病毒间的协同致灾效应;发现、鉴定和克隆稻飞虱体内与传毒和病毒复制相关的基因及病毒参与传播的决定因子，研究寄主植物种类/品种与飞虱传毒之间的关系，揭示稻飞虱获毒与传毒过程的分子机理，明确稻飞虱与其传播的病毒专化性识别的机制；研究环境生态因子对稻飞虱种群及其传播病毒病的影响，阐明病毒病流行学规律，为稻飞虱传播病毒病的早期监测、预警和治理提供依据。具体研究内容如下：1、水稻病毒与其介体稻飞虱的互作关系、协同效应及其机理研究(1) 稻飞虱遗传多样性与获取、携带、传播病毒病能力的关系及不同带毒（传毒）能力种群形成的分子机理研究(2) 病毒对介体稻飞虱发育、生殖和迁飞等种群适合度的影响及其机制研究(3) 稻飞虱与其传播的病毒间专化性形成机理、协同致灾效应及机制研究2、稻飞虱、水稻、病毒间共进化机制研究（1）水稻/稻飞虱/病毒种间共进化的机制研究（2）寄主植物种类/品种与飞虱传毒、病毒病害流行之间的关系研究（3）植物抗虫与抗病毒协同控害与稻飞虱种群变异动态的研究。3、稻飞虱传水稻重要病毒病在我国流行发展趋势研究（1）灰飞虱传播的主要病毒病流行学及其预警技术研究（2）褐飞虱传播的水稻齿叶矮缩病的流行规律与发展趋势研究（3）褐飞虱传播的草状矮化病的流行规律与发展趋势研究预期目标：（1）探明病毒对稻飞虱种群发育、生殖、迁飞能力等种群适合度的影响，稻飞虱遗传多样性与获取、携带、传播病毒病能力，揭示高带毒（传毒）与低带毒（传毒）种群形成和介体昆虫与所传病毒间协同致灾效应的生理和分子基础。（2）明确寄主植物种类/品种与飞虱传毒之间的关系，以及田间自然寄主在病害侵染循环中的作用，揭示稻飞虱获毒与传毒过程的分子机理，阐明植物寄主在病毒病流行中的作用和规律。（3）调查明确近年出现的分别由褐飞虱等传播的齿叶矮缩病、草丛矮化病等病毒病在我国的流行规律和发展趋势，为建立相关的预警与控制策略提供依据。承担单位：浙江省农业科学院、中国农业科学院植物保护研究所课题负责人：王锡峰学术骨干：陈剑平、林克剑、吕仲贤、张恒木经费比例：14.7%课题4、农药对稻飞虱及其天敌的生态毒理效应及机理研究研究内容：以农药对稻飞虱及其主要天敌的生态毒理效应为研究重点，采用生态学、生理生化和分子生物学等研究手段，研究明确农药包括杀虫剂、杀菌剂和除草剂对稻飞虱发育和内禀生殖能力，以及对主要天敌捕食行为和功能的直接和间接影响及其生理和分子调控机理，探索农用化学品对稻飞虱及其主要天敌的联合毒理效应及其机制。研究比较三种稻飞虱对常用农药敏感性及其交互抗性和多重抗性，深入研究稻飞虱对新烟碱类杀虫剂抗性的生理生化和分子机理，建立简便易行、灵敏稳定的抗药性早期检测高通量技术，为协调农用化学品科学使用和实现稻飞虱可持续治理提供依据。具体研究内容如下：1、主要农药对稻飞虱内禀增殖的刺激效应及其生理与分子机制（1）主要农药对稻飞虱生殖刺激效应的比较研究（2）杀虫剂对抗药性和敏感性稻飞虱种群生殖刺激效应的比较研究（3）农药提高稻飞虱生殖能力的生理与分子调控机理研究2、主要农药对稻田主要天敌捕食行为和功能的影响及其机理研究（1）主要农药对主要稻田天敌捕食行为和功能的影响与途径（2）农药对稻飞虱主要天敌的亚致死效应及其机理研究（3）农药干扰天敌捕食行为和功能的生理与分子调控机理研究3、稻飞虱抗药性机理及早期快速、高通量检测技术研究（1）三种稻飞虱对常用农药敏感性及其交互抗性和多重抗性研究（2）稻飞虱对新烟碱类杀虫剂抗性的生理生化和分子机理研究（3）稻飞虱对主要杀虫剂抗性早期检测的高通量技术研究预期目标：（1）明确主要农药影响稻飞虱发育和生殖能力的途径、剂量效应及其生理与分子机理，为合理应用农药、避免刺激害虫再猖獗提供理论依据；（2）明确主要农药影响主要天敌捕食行为和功能的途径、剂量效应及其生态和生理机理，为合理应用农药、避免破坏自然控害能力提供理论依据； （3）明确三种稻飞虱对常用农药的敏感性及其交互抗性和多重抗性，深入研究稻飞虱对新烟碱类杀虫剂抗性的生理生化和分子机理，建立抗药性早期检测技术，为协调农药科学使用和稻飞虱可持续治理提供依据。承担单位：南京农业大学、扬州大学课题负责人：刘泽文学术骨干：董双林、韩召军、李国清、刘芳、刘井兰、吴进才、徐建祥经费比例：16%课题5、稻飞虱基因组数据分析和规模化功能基因鉴定技术研究研究内容：利用已在进行的褐飞虱全基因组测序所获得的全基因组序列，进行系统和深入分析，建立褐飞虱基因数据库；利用深度测序技术获得近万条白背飞虱和灰飞虱的非冗余基因序列，并在此基础上进行三种稻飞虱之间及稻飞虱与其他昆虫之间的基因同源比对和功能预测分析，建立稻飞虱基因数据库。同时，建立稻飞虱基因功能规模化鉴定的RNAi技术，为本项目其它课题有关稻飞虱灾变相关生物学特性的分子基础研究提供重要的技术和数据支撑，也为全面揭示三种稻飞虱灾变生态学规律的分子机理、进一步开拓新治理途径和开展相关基础研究奠定基础。具体研究内容包括：1、褐飞虱基因组注释及基因组数据库的构建（1）褐飞虱基因组分析及新基因的大规模发现与验证（2）褐飞虱基因组数据分析平台构建（3）基于褐飞虱全基因组、EST和cDNA序列数据库的基因芯片研制2、三种稻飞虱的转录组比对分析（1）白背飞虱转录组分析及EST和cDNA序列数据库建立（2）灰飞虱转录组分析及EST和cDNA序列数据库建立（3）三种稻飞虱转录组分析和比较3、RNAi技术平台和应用RNA干涉技术控制稻飞虱的基础研究（1）提高稻飞虱RNAi效率的途径及其机理研究（2）规模化分析和筛选可用于RNAi控制稻飞虱的候选基因及其高效的dsRNA（3）稻飞虱系统性RNAi的机理研究预期目标：（1）对前期已经完成的褐飞虱基因组测序结果进行基因注释，在基因组水平规模化预测和发现褐飞虱的基因并进行分子生物学验证，建立褐飞虱基因组数据库。（2）对白背飞虱和灰飞虱进行转录组分析，规模化发现新基因并进行分子生物学验证，建立3种稻飞虱EST和cDNA序列数据库，为相关基因芯片研制和在基因水平进一步深入研究稻飞虱灾变的生物学本质提供支撑。（3）建立稻飞虱高效的RNAi技术，实现对稻飞虱功能基因的规模化鉴定，为在水稻中表达稻飞虱重要靶标基因的dsRNA，开拓控制稻飞虱新途径奠定基础。承担单位：中山大学、浙江大学课题负责人：张传溪学术骨干：鲍艳原、贺雄雷、张文庆、周强经费比例：14%课题6、稻田生态系统对稻飞虱种群数量调控功能及机制研究内容：根据迁飞性稻飞虱虫源地和受虫地发生动态的关系以及区域性可持续治理目标，采用生态学、分子生物学和系统分析技术，系统比较热带和我国主要稻区生态系统对稻飞虱灾变的调控功能，及其与生物多样性、品种、农业化学投入品使用、其它农业技术以及生境条件等环境因子的关系，结合分析环境因子对稻飞虱重要生物学特性和水稻抗性相关关键基因表达水平以及重要天敌控害能力的影响，从生态系统整体明确系统调控功能的组成，确定导致不同稻田生态系统调控功能差异的主要因子及其调控机制，探索增强稻田生态系统抗性的途径，为实现稻飞虱及其所传病毒病区域性可持续治理策略的制定提供信息和理论依据。具体研究内容如下： 1、热带和亚热带稻区稻田生物多样性及其与调控稻飞虱种群数量功能比较研究（1）热带和亚热带稻区稻田生物多样性时空动态与稻飞虱种群动态的比较研究（2）热带和亚热带稻区群落结构、重要物种和稻飞虱种群动态关系的比较研究（3）热带和亚热带稻区稻田生态系统稻飞虱与天敌的协同进化的比较研究2、不同稻区稻田生态环境和农业技术对系统调控稻飞虱种群数量功能比较研究（1）不同稻区稻田生态环境和农业技术变迁与生物多样性时空动态关系研究（2）不同稻区稻田系统调控稻飞虱种群数量（灾变）功能差异及其机理研究（3）稻田生态系统调控稻飞虱种群数量（灾变）功能评价指标体系和方法研究3、稻飞虱区域性治理策略和途径的生态学基础研究（1）影响稻飞虱区域间种群数量动态变化的关键因子的系统分析研究（2）稻飞虱地理区域间种群数量动态变化与灾变概率关系的系统分析研究（3）区域性生态调控稻飞虱种群数量的策略和途径的基础研究预期目标：（1）从稻田生态系统整体观念，运用系统分析技术，综合各课题研究所获得的成果，明确稻田生态系统对稻飞虱灾变调控功能与关键因子的关系，建立稻田生态系统对稻飞虱灾变调控的系统途径；（2）比较不同稻区稻田生态系统结构与对稻飞虱种群数量调控功能的关系，明确生物多样性及时空动态与稻飞虱种群动态间的数量关系，为可持续集约稻田生态系统设计提供依据；（3）系统比较不同稻区稻飞虱种群数量和遗传动态及其与气候和农业技术的关系，明确后者的影响途径与机理；集成项目研究成果，组建区域性稻飞虱动态和可持续治理策略分析研究系统，为探索区域性治理策略和途径提供工具系统。承担单位：浙江大学、中国水稻研究所课题负责人：程家安学术骨干：傅强、刘占宇、唐启义、王渭霞、吴建祥、祝增荣经费比例：19.3%(四)各课题间相互关系以及与项目预期目标的关系从稻飞虱生命系统整体出发，在研究系统中主要组成成份（稻飞虱、水稻、病毒等）相互关系及系统其它生物和非生物成分对这些关系影响的同时，从稻飞虱物种遗传特性和稻田生态系统结构和功能探索稻飞虱灾变的微观分子生物学和宏观生态学机理，为稻飞虱可持续治理技术研发奠定理论基础。项目根据所提出的科学问题，设置稻飞虱迁飞时空动态、稻飞虱与寄主水稻协同进化、水稻-稻飞虱-病毒协同进化、农业技术对稻飞虱影响、稻飞虱基因组数据分析和稻田生态系统对稻飞虱种群数量调控功能等6个课题（图2）。6、生态系统控制功能与机制1、稻飞虱迁飞规律5、数据分析和功能基因鉴定2、稻飞虱-水稻关系3、病毒病流行学4、农业技术影响致害性变异翅型分化高生殖力带毒传毒图2， 本项目课题设计及其相互关系上述六个课题将综合应用生态学、遗传学、生理学、分子生物学、基因组学和信息技术等学科知识与研究手段，通过课题1-4研究探索稻飞虱生命系统的几个关键成份，包括水稻、稻飞虱、病毒间的互作关系，以及主要环境因子如农药、天敌等对这些互作关系的影响与机理；通过课题5在为课题1-4揭示稻飞虱相关重要生物学特性翅型分化、致害性演变、带毒能力和高生殖能力等的分子基础提供重要数据与技术支撑的同时，开展三种稻飞虱的比较基因组学研究，揭示三种稻飞虱混合灾变与发生差异的机理；通过课题6从生态系统层面综合研究上述环节与区域间稻飞虱种群动态的关系以及稻田生态系统对稻飞虱灾变的调控功能，从而实现从微观和宏观层面揭示稻飞虱灾变规律，提出稻飞虱可持续治理策略，实现项目提出的总体目标。四、年度计划年度研究内容预期目标2010主要研究各稻区稻飞虱虫源关系、灰飞虱迁飞特性、分子与化学标记；水稻-病毒-稻飞虱互作关系；褐飞虱基因组注释与三种飞虱转录组比较；农药对飞虱与天敌的影响;比较不同稻区、农作制度下稻飞虱及其天敌动态、稻田调控功能等。明确灰飞虱的迁飞特性，初步明确影响稻飞虱传播病毒病暴发流行的主要因子、褐飞虱共生菌与其致害性的关系；建立褐飞虱基因组数据库分析平台、获得3种稻飞虱转录组序列；初步明确农药等农作措施对飞虱及其天敌、农田调控功能等的影响；发表SCI论文20-25篇，培养研究生25-30人。2011继续研究各稻区稻飞虱虫源关系、灰飞虱迁飞规律、分子与化学标记；水稻-