气候变化可通过扩大害虫的越冬分布范围促进害虫抗药性发展
发布时间:2021-09-15 10:54:35 文章来源:中国科学报
气候变化和害虫抗药性竟然息息相关。近日在线发表于《自然—通讯》的一项新研究首次发现,气候变化可通过扩大害虫的越冬分布范围,促进害虫...

气候变化和害虫抗药竟然息息相关。日在线发表于《自然—通讯》的一项新研究首次发现,气候变化可通过扩大害虫的越冬分布范围,促进害虫抗药发展。

论文第一作者及通讯作者、中国农科院植物保护研究所(以下简称植保所)研究员马春森告诉《中国科学报》,这一发现说明,因为气候变化,害虫防治难度增加,进而带来更大的经济损失。

毫不相干还是息息相关?

这项研究关注的害虫是小菜蛾,每年对十字花科作物造成的损失超过40亿美元。小菜蛾防治难,源于其抗药强。据国际杀虫剂抗行动委员会统计,它至少能抵抗97种杀虫剂。

2008年,马春森参与一项小菜蛾农药抗监测及治理研究项目时发现,中国长江以南地区小菜蛾抗药问题非常严重,而在北方小菜蛾无法越冬的地区几乎没有听说过抗药问题。他很快意识到小菜蛾抗药与越冬存活可能存在关联。“我很关心小菜蛾的越冬问题,因为这不仅关系到第二年春季虫源基数,而且,如果在越冬地区小菜蛾全年发生,可能会快速进化出抗药。”

然而当时,害虫分布和抗药问题通常是被独立研究的,二者之间是否关联并不清楚。

论文共同通讯作者、植保所副研究员张薇告诉《中国科学报》,虽然当时意识到越冬可能有利于抗药进化,但受到其他因素的影响,还不能确定越冬存活与抗药有密切关系。比如,不同地区小菜蛾年世代数不同,世代数多的抗发展快;不同农药种类因致死机制的差异和交叉抗会影响抗药发展;不同地区乃至不同田块,由于人为用药惯不同,抗药也会不同。“这些因素混在一起,让我们无法厘清越冬存活与抗药的关系。”

于是,团队进一步深入研究,进行全球小菜蛾抗药大数据分析,并同时考虑了以上干扰因素。

低温下的慢致死效应

为了确定哪些气候因素决定小菜蛾冬季能否存活,团队设计了室内模拟试验,用人工气候箱模拟了中国不同纬度10个地点的冬季温度变化,试验小菜蛾幼虫、蛹在不同冬季条件下的存活率。

为了检验实验室越冬存活模型对田间环境下小菜蛾越冬存活能力预测的准确,2008年至2013年,他们在辽宁沈阳等12个地点进行小菜蛾田间越冬试验。考虑到小菜蛾可能在收获后植物残株落叶下越冬,他们还设计了植株上和残株落叶下两个越冬环境,试验小菜蛾幼虫、蛹、成虫在不同冬季条件下的存活率。

马春森说,借助上述试验,他们解析出制约小菜蛾越冬的关键气候因子,即低温积温日度(冬季日均温11℃以下的积温),并构建出低温日度模型。

当冬季温度低于11℃时,一部分小菜蛾开始死亡。在我国北方非常寒冷的地区如东北,最低气温低于小菜蛾能耐受的极限低温(过冷却点-13.5℃~-20.1℃),小菜蛾肯定不能越冬。而广大的华北原等地,冬季温度往往高于过冷却点,小菜蛾也不能越冬。换句话说,小菜蛾在这些地区不是被冻死的,而是在长期不太低的温度下冷死的。“这一慢致死效应才是决定小菜蛾冬季存活率的关键。”马春森说。

为此,他们构建了基于冬季低温积温的小菜蛾越冬存活模型,计算不同地区不同年份的小菜蛾越冬存活率。在自然界复杂气候环境下,该模型能解释62.1%的存活率,远超以往的低温存活模型。“这么高的准确度主要是因为,该模型准确模拟了小菜蛾低温死亡的过程,即长期低温损伤,而非极低温度下冻伤。”张薇说。

“低温积温日度这个气候因子很容易从过去的气候数据和未来情景中获得。”论文作者、美国莱斯大学教授Volker Rudolf说,“由于易获取,才让我们得以研究全球范围内小菜蛾的越冬存活,以及气候变化下的抗药变化趋势。”

抗药相差158倍

研究发现,过去50年,气候变化使全球小菜蛾的越冬面积扩大了240万方公里;未来均气温每上升1℃,将导致其越冬面积扩大220万方公里。

马春森说:“小菜蛾越冬研究的发现,加上对全球40年小菜蛾抗药的大数据分析,揭示了气候变化如何影响全球小菜蛾的抗药分布。”

根据小菜蛾越冬存活的冬季低温积温模型,他们将小菜蛾在全球的发生区划分为越冬区(冬季存活率<1%)、零星越冬区(冬季存活率为1%~5%)、非越冬区(冬季存活率≥5%)。值得关注的是,越冬区小菜蛾的抗药是非越冬区的158倍。

马春森解释道:“在非越冬区,冬季种群要么死亡,要么迁出至更温暖的地区。第二年春季种群是一个混合种群,这些个体从使用不同类型杀虫剂的多个地区迁入,因而在当地,抗药无法跨季节累积进化。相反,越冬区种群全年发生,可以快速积累抗基因。”

该研究指出,生产过程中应调整害虫管理策略来适应不同地区害虫冬季存活的差异。在常年越冬区,提倡使用绿色防控技术或化学农药替代技术,并交替使用作用机理不同的农药来治理;在非越冬区,尽可能使用与越冬区作用机理不一样的农药,以便减缓抗药的发展。

同小菜蛾一样,许多重要农业害虫,如粘虫、飞虱、卷叶螟和蚜虫等,在南方温暖地区全年发生,春季时向北迁移到非越冬地区。这些害虫发生世代数多,防治农药使用量大,抗药严重。

“虽然没有研究它们的越冬和抗药的关系,但猜测与小菜蛾具有类似结果。”马春森说,中国是蔬菜生产大国,这项研究不仅填补了小菜蛾越冬的知识空白,而且为气候变化下冬季存活和越冬分布研究提供样板。更重要的是,研究首次提供了气候变化促进害虫抗药增强的证据,而且证实其由越冬分布范围的扩张驱动。(记者 李晨)

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