草地貪夜蛾及其功能基因組學(xué)的研究進(jìn)展

　　摘要 草地貪夜蛾Spodoptera frugiperda是一種原產(chǎn)于美洲熱帶和亞熱帶地區(qū)的重要入侵害蟲，已經(jīng)入侵了全球100多個(gè)國(guó)家，2019年1月在我國(guó)云南省被發(fā)現(xiàn)后迅速蔓延至其他地區(qū)，并對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了重大危害。本文對(duì)草地貪夜蛾的形態(tài)與生物學(xué)特性、害蟲防控方法、功能基因組學(xué)研究、特別是害蟲的化學(xué)感受相關(guān)基因家族進(jìn)行了綜述，為開發(fā)并優(yōu)化草地貪夜蛾的預(yù)警和綠色防控技術(shù)提供參考。

　　關(guān)鍵詞 草地貪夜蛾; 害蟲防治; 化學(xué)感受基因; 性信息素

　　《植物生理學(xué)報(bào)》(曾用刊名：植物生理學(xué)通訊)，1951年創(chuàng)刊，是我國(guó)基礎(chǔ)性學(xué)科的重要學(xué)術(shù)期刊。

　　草地貪夜蛾Spodoptera frugiperda又名秋黏蟲，隸屬于鱗翅目Lepidoptera、夜蛾科Noctuidae，是一種來(lái)源于美洲熱帶和亞熱帶地區(qū)的重大遷飛性害蟲[1-3]。草地貪夜蛾食性雜，繁殖及遷飛能力強(qiáng)，適生區(qū)域廣，因此監(jiān)測(cè)預(yù)警和害蟲防控極為重要[4-6]。2016年，草地貪夜蛾首次在非洲地區(qū)被發(fā)現(xiàn)，并在兩年時(shí)間內(nèi)迅速席卷撒哈拉以南的44個(gè)國(guó)家[7-9]。根據(jù)國(guó)際農(nóng)業(yè)與生物科學(xué)中心在12個(gè)非洲玉米生產(chǎn)國(guó)進(jìn)行的調(diào)查表明，草地貪夜蛾每年造成的玉米產(chǎn)量損失高達(dá)830萬(wàn)～2 060萬(wàn)t，約合25億～62億美元。此外，仍有超過(guò)130億美元的作物處于危險(xiǎn)之中，給非洲的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了巨大破壞[10-11]。2017年，歐洲食品安全局將草地貪夜蛾列為檢疫性有害生物[12]。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)也發(fā)出全球預(yù)警，將其列入世界十大植物害蟲“黑名單”[13]。2018年7月，草地貪夜蛾登陸亞洲的印度[14]，而后在孟加拉國(guó)、緬甸、泰國(guó)、老撾和越南等地相繼發(fā)生[15-16]。2019年1月11日，我國(guó)云南省普洱市江城縣首次發(fā)現(xiàn)草地貪夜蛾入侵，而后其迅速向廣西、廣東、貴州、湖南等鄰近省份擴(kuò)散。春末夏初，春玉米從南至北進(jìn)入生長(zhǎng)期，加之風(fēng)場(chǎng)變化、天氣條件適宜，草地貪夜蛾繼續(xù)向北蔓延，擴(kuò)散到長(zhǎng)江中下游、黃淮、華東、東北和西北等地[17]。2019年5月10日，草地貪夜蛾已擴(kuò)散到全國(guó)13個(gè)省(區(qū))61個(gè)市(州)261個(gè)縣(市、區(qū))，初步統(tǒng)計(jì)發(fā)生面積7.2萬(wàn)hm2。而截至2019年7月5日，草地貪夜蛾已擴(kuò)散至全國(guó)20個(gè)省(自治區(qū))1 128個(gè)縣(市、區(qū))，累計(jì)發(fā)生面積約55.4萬(wàn)hm2[18]，害蟲擴(kuò)散速度明顯加快，對(duì)我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

　　1 草地貪夜蛾的形態(tài)特征與生物學(xué)特性

　　1.1 草地貪夜蛾的形態(tài)特征

　　卵：草地貪夜蛾產(chǎn)的卵呈塊狀，每個(gè)卵塊約有卵100～200粒，卵粒扁平球狀(0.45 mm×0.35 mm)，呈單層或多層堆積，并覆蓋有鱗片。卵期4～6 d，卵最初淺綠或白色，隨著時(shí)間的變化逐漸變成棕褐色[19-21]。

　　幼蟲：幼蟲期14～20 d，分為6個(gè)齡期，主要通過(guò)取食寄主植物葉片為害，高齡期幼蟲甚至能夠切斷幼苗的莖基[7]。幼蟲剛孵化時(shí)，體長(zhǎng)1～2.5 mm，體白頭黑，主要取食葉肉而留下葉表皮。

　　隨著齡期增加其食量逐漸變大，體色逐漸從白色轉(zhuǎn)為綠色再到褐色，6齡幼蟲體長(zhǎng)可達(dá)35～45 mm。草地貪夜蛾幼蟲大多都有白色的蛻皮線，并伴有黑色斑塊和亮橙色或黃色縱條紋，在頭部形成一個(gè)“V”形，與背中部的白色條紋一起形成一個(gè)“Y”形。老熟幼蟲在地下2～8 cm處筑巢化蛹[21-22]。

　　蛹：蛹體被繭包裹，初期顏色較淺，隨日齡增加顏色逐漸加深，羽化前變?yōu)樯罴t棕色，長(zhǎng)約14～18 mm，寬約4.5 mm，腹部末端有兩根基部分開的臀棘，長(zhǎng)約0.5 mm。夏季氣溫高，蛹期一般為8～9 d，而氣溫較低的冬季，蛹期可達(dá)20～30 d[23]。

　　成蟲：成蟲期約為7～21 d，翅展為32～40 mm。雄蛾前翅通常為灰色和棕色，在頂端和靠近翅中心處有三角形的白色斑點(diǎn);后翅為銀白色，有一個(gè)狹窄的黑色邊緣。雌性前翅無(wú)明顯標(biāo)記，為統(tǒng)一的灰褐色、灰色或棕色的細(xì)微斑點(diǎn)，后翅與雄蛾相似。成蟲在溫暖潮濕的夜晚最活躍，28℃時(shí)30 d就能完成一個(gè)世代。一頭雌蛾最多時(shí)能產(chǎn)2 000余粒卵，通常會(huì)在羽化后4～5 d內(nèi)產(chǎn)出大部分卵，但也有些雌蛾產(chǎn)卵期長(zhǎng)達(dá)3周[21，24]。

　　1.2 草地貪夜蛾的生物學(xué)特性

　　草地貪夜蛾一年可發(fā)生1～4代，世代重疊，在條件適宜的中、南美洲等地區(qū)可終年繁殖[25]。該蟲屬于雜食性害蟲，能夠?yàn)楹τ衩住⑺尽⒋蠖埂⒒ㄉ⒚藁ā④俎！⒎选喡椤⒏收帷ⅠR鈴薯以及高粱等76科350多種植物[26-27]。根據(jù)寄主植物不同分為兩種品系： 第一種為玉米型，該品系主要取食玉米、棉花和高粱等作物;第二種為水稻型，該品系主要為害水稻和多種牧草等[28-32]。雖然兩個(gè)品系之間形態(tài)相似，但兩個(gè)品系之間的雜交后代存活率低，存在生殖隔離現(xiàn)象[33]，且在不同寄主植物上的特性不同[34]。由于遺傳標(biāo)記數(shù)量及種類有限，它們的基因組分化程度還不清楚[35-36]。

　　草地貪夜蛾新孵化的幼蟲呈環(huán)狀運(yùn)動(dòng)，活動(dòng)范圍有限，從4齡幼蟲開始可以將葉片咬破成洞，并向四周啃食;6齡幼蟲危害最大[25]。與許多鱗翅目幼蟲一樣，當(dāng)食物缺乏和幼蟲擁擠時(shí)，草地貪夜蛾的幼蟲也會(huì)自相殘殺[37-39]。草地貪夜蛾成蟲具有較強(qiáng)的遷飛能力，外號(hào)“行軍蟲”，一晚可以飛行100 km，最遠(yuǎn)可以遷飛到480 km以外的區(qū)域產(chǎn)卵[24-25，40]。更有報(bào)道稱，在條件適宜的情況下，該害蟲可在30 h內(nèi)從美國(guó)的密西西比州遷飛到加拿大南部，距離長(zhǎng)達(dá)1 600 km。

　　2 草地貪夜蛾的防控方法

　　2.1 農(nóng)藥防治

　　目前，對(duì)草地貪夜蛾的主要應(yīng)急防治手段是使用化學(xué)農(nóng)藥，其優(yōu)點(diǎn)是操作方便、效果明顯、成本低廉。主要使用的殺蟲劑類型為合成殺蟲劑丁硫克百威、氟氯氰菊酯和氯蟲苯甲酰胺等[41-43]。然而，殺蟲劑的種類繁多、效果不一，很大程度上殺蟲劑的選擇還是取決于農(nóng)民的購(gòu)買能力，通常越便宜的產(chǎn)品越容易受到青睞[44]。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所從21種常用化學(xué)農(nóng)藥中，篩選出了一批高效、低毒的化學(xué)農(nóng)藥用于我國(guó)草地貪夜蛾的應(yīng)急防治。此外，蘇云金芽胞桿菌Bacillus thuringiensis (Bt)產(chǎn)生的毒素也對(duì)草地貪夜蛾具有毒殺效果，轉(zhuǎn)基因Bt抗蟲玉米也已被證實(shí)能夠有效控制草地貪夜蛾的種群發(fā)展和為害程度[45]。此外，部分植物提取物對(duì)草地貪夜蛾也具有較好的防治效果[46]，例如楝樹Melia azedarach L.、桉樹Eucalyptus robusta Smith和十字架樹Crescentia alata H.B.K.等植物提取物對(duì)草地貪夜蛾都有毒殺效果[47-48]。然而，部分地區(qū)由于不合理地使用殺蟲劑，導(dǎo)致草地貪夜蛾對(duì)殺蟲劑產(chǎn)生了抗性[25]，同時(shí)也造成了環(huán)境污染[49]。因此，在合理、規(guī)范使用被認(rèn)證的農(nóng)藥產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，開發(fā)和使用其他無(wú)公害防治方法成為新的研究目標(biāo)。

　　2.2 生物防治

　　生物防治(biological control)害蟲可以分為以鳥治蟲、以蟲治蟲和以菌治蟲三大類，為草地貪夜蛾的防治工作提供了一種更加經(jīng)濟(jì)、安全、有效的方式。利用以蟲治蟲的生物防治方法，已經(jīng)有多種天敵昆蟲被證實(shí)對(duì)草地貪夜蛾具有良好的防控效果。一些寄生性昆蟲如：島甲腹繭蜂Chelonus insularis Cresson[50-51]可以寄生草地貪夜蛾的卵和幼蟲，且自然條件下寄生率達(dá)6.63%～21.96%;短管赤眼蜂Trichogramma pretiosum[52]和夜蛾黑卵蜂Telenomus remus(Nixon)[53]可以寄生草地貪夜蛾的卵，但夜蛾黑卵蜂比赤眼蜂更具選擇性;溫寄蠅Winthemia trinitatis (Thompson)[43，54]、黃帶齒唇姬蜂Campoletis flavicincta (Ashmead)[43]可以寄生草地貪夜蛾的幼蟲，其中，溫寄蠅對(duì)草地貪夜蛾幼蟲寄生率達(dá)30%，黃帶齒唇姬蜂則高達(dá)50%[43，55]。還有一些捕食性昆蟲如：斑腹刺益蝽Podisus maculiventris (Say)、斑足大眼長(zhǎng)蝽 Geocoris punctipes (Say)和狡詐花蝽Orius insidiosus(Say)等蝽類，以及大斑長(zhǎng)足瓢蟲Coleomegilla maculate (De Geer)和血紅環(huán)瓢蟲 Cycloneda sanguinea (L.)等捕食性瓢蟲[42]也可以取食草地貪夜蛾的幼蟲。此外，利用病毒、細(xì)菌、線蟲等病原微生物的以菌治蟲方法對(duì)草地貪夜蛾防控也取得了較好的效果，如多核多角體病毒Spodoptera frugiperda multiple nucleopolyhedrovirus (SfMNPV)和球孢白僵菌Beauveria bassiana等[26，56]。將球孢白僵菌B. bassiana、萊氏綠僵菌Metarhizium rileyi和病原線蟲等病原微生物與殺蟲劑混合使用時(shí)，可以顯著提高對(duì)草地貪夜蛾的防控效果[25，57-58]。

　　2.3 新型綠色防控技術(shù)

　　通過(guò)改變種植策略、加強(qiáng)田間管理等措施來(lái)減少草地貪夜蛾的侵害，包括種植抗性玉米品種、作物與害蟲驅(qū)避植物間種、適當(dāng)調(diào)整播種期等[59-60]。根據(jù)草地貪夜蛾的趨光和趨化等特性，可以利用性誘劑、燈誘和糖醋液等多種方法對(duì)草地貪夜蛾進(jìn)行害蟲綜合防控[61-62]。

　　利用性信息素誘劑進(jìn)行害蟲防控是一種新型、綠色無(wú)公害的方法，不但可以有效地減少害蟲成蟲的蟲口密度，還可以作為監(jiān)測(cè)預(yù)警的一種手段。其主要應(yīng)用的成分為害蟲的性信息素組分， 這種性信息素組分通常由雌性成蟲分泌，用來(lái)吸引雄性成蟲飛來(lái)交配，誘集的距離可長(zhǎng)達(dá)幾千米[63-64]。草地貪夜蛾的性信息素組分很早就有研究，20世紀(jì)60年代，Sekul和Sparks從雌蛾腺體提取物中初步分離出性信息素的一個(gè)組分Z914∶Ac[65]，但后來(lái)的試驗(yàn)表明，這種化合物在野外幾乎引誘不到雄蛾[66]。1976年，Sekul 和 Sparks又分離得到了第二個(gè)組分Z912∶Ac[67]，該組分單獨(dú)使用或與Z914∶Ac混合后制成的誘芯野外誘捕效果良好[68-69]，但誘集效果受到劑量的影響，且效果只能持續(xù)1～2周[70]。為了完善草地貪夜蛾的性信息素系統(tǒng)研究，1986年，Tumlinson等[71]做了進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)雌蛾釋放的揮發(fā)性成分與從雌蛾腹部腺體中提取的成分不同。他們對(duì)草地貪夜蛾雌蛾腹部腺體中產(chǎn)生的化合物進(jìn)行了重新鑒定，發(fā)現(xiàn)了1112∶Ac、12∶Ac、Z712∶Ac、Z914∶Ald、Z914∶Ac、Z1116∶Ac和Z1116∶Ald 7種組分;而雌蛾釋放的揮發(fā)性成分卻只有1112∶Ac、12∶Ac、Z712∶Ac、Z914∶Ac和Z1116∶Ac 5種成分，其中Z712∶Ac和Z914∶Ac兩種組分對(duì)雄蛾的引誘最為重要，其他3種組分推測(cè)也可能在引誘中發(fā)揮作用，但仍需做進(jìn)一步驗(yàn)證[71]。

　　同時(shí)，科學(xué)家們研究發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)草地貪夜蛾的性信息素組分及比例存在差異。歐洲地區(qū)西班牙采集到的草地貪夜蛾雌蛾性腺提取物僅檢測(cè)到Z914∶Ac、Z912∶Ac和Z1116∶Ac 3種組分，所占比例為70%、20%和10%[70];采集自北美地區(qū)的草地貪夜蛾雌蛾性腺提取物中，含量最高的組分是Z914∶Ac、Z914∶A1d和Z1116∶Ac，所占比例分別為63%、13%和9%[71]。而2000年Andradea等對(duì)拉丁美洲哥斯達(dá)黎加地區(qū)的4種引誘劑組分(Z712∶Ac、Z912∶Ac、Z914∶Ac和Z1116∶Ac)進(jìn)行了重新研究，結(jié)果表明：Z712∶Ac和Z912∶Ac單獨(dú)使用時(shí)對(duì)草地貪夜蛾具有很強(qiáng)的引誘作用;而將Z712∶Ac和Z914∶Ac二者組合后，則顯著增加了對(duì)哥斯達(dá)黎加地區(qū)草地貪夜蛾的吸引力，其引誘效果至少是在北美地區(qū)或英國(guó)地區(qū)的10倍;將Z712∶Ac、 Z914∶Ac和Z1116∶Ac三者組合時(shí)，誘捕率略有提高，但是將Z712∶Ac濃度增加到5%時(shí)，誘捕率則顯著降低，而且Z712∶Ac成分以前也從未在加勒比地區(qū)的草地貪夜蛾中報(bào)道過(guò)[72]。此外，玉米型和水稻型草地貪夜蛾的性信息素組分及含量也存在顯著差異，水稻型Z1116∶Ac的相對(duì)含量明顯低于玉米型，而Z712∶Ac的相對(duì)含量卻高于玉米型[73-74]。由于不同地區(qū)草地貪夜蛾的性信息素組分及比例存在差異，因此針對(duì)草地貪夜蛾開發(fā)的性信息素引誘劑的成分和比例也較為復(fù)雜。通過(guò)野外誘集試驗(yàn)，已證實(shí)至少Z712∶Ac、Z912∶Ac、Z914∶Ac和Z1116∶Ac 4種成分對(duì)草地貪夜蛾的雄蟲具有誘集效果[73]。