根虫对环境友好型耕作方法的抵抗

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的首席研究科学家和昆虫行为研究项目负责人Joseph L. Spencer博士向AZoCleantech讲述了近年来玉米根虫的行为如何发生变化，以及这是如何影响它们对作物轮作技术的抵抗力的。

抗作物轮作的玉米根虫存在多久了?

首先，我要指出的是，早期的经济昆虫学家将年度轮作视为解决玉米根虫问题的理想方案，他们首先研究了根虫害虫。在19年的最后1 / 4^th世纪，伊利诺伊州自然调查局的斯蒂芬·a·福布斯研究了一种我们现在称为北方玉米根虫(NCR)的物种的生物学，Diabrotica barberi他们意识到，他们的生态与玉米的持续供应息息相关。

历史上，雌性根虫几乎只在玉米地里产卵，当它们的后代在第二年夏天从蛋里出来时，它们必须在附近找到玉米根，否则就会死亡。

对福布斯和他的同事来说，很明显，如果不在同一块地里连续种植两年或两年以上的玉米(连续种植玉米)，根虫的生命周期就会被打破，根虫的种群就无法在一块地里繁殖。玉米的轮作是解决根虫问题的一个明显的方法，而作物轮作不是根虫幼虫的宿主。

如果每个人都遵循福布斯的作物轮作建议(福布斯1883)，我们可能不会知道根虫是害虫;然而，事情并没有那么简单。农民想要连续种植玉米(例如生产粮食来喂养牲畜或从土地上获得最大利润)，而不是每年与非宿主植物(如大豆)轮作玉米是有充分理由的，因为大豆的根虫幼虫无法在其上生长。

因为在某个地方总是有连续的玉米，玉米根虫作为害虫持续存在。在玉米与大豆(或其他非宿主作物)轮种的地方，种植玉米几乎没有根虫幼虫受伤的风险。

20世纪20年代末，伊利诺斯州自然调查科学家约翰·比格(John Bigger 1932)在文献中首次发现了作物轮作的裂缝。他指出，短时间的旋转不能有效地控制NCR，但长时间的旋转仍然有效。这种抗药性的机制在当时并不为人所知。

30多年后，明尼苏达大学昆虫学家Huey C. Chiang博士注意到，一小部分NCR卵能够保持滞育两个冬天或更长时间(Chiang 1965)。具有这种“长时间滞育”能力的卵可以在轮种大豆的田地里作为卵留在土壤中，在两个冬天再次种植玉米的田地里孵化。

延长的滞育可以解释Bigger所观察到的现象。在接下来的几年里，NCR卵种群中经历长时间滞育的比例有所增加，并且表明能够进行长时间滞育的NCR卵的比例与当地的作物轮作强度有关(Levine et al. 1992)。在最广泛采用作物轮作的地方，长期滞育是最成问题的。

在20世纪80年代，关于旋转玉米中玉米根虫幼虫伤害的报道导致了伊利诺斯州旋转玉米田中根虫伤害的调查(Steffey et al. 1992)。有人担心NCR延长滞育正在成为一个更严重的问题。根虫的真正损害程度有限，但在伊利诺斯州中部和东部最大，这些地区以玉米和大豆作物轮作为主，NCR最常见。

西部玉米根虫(WCR)的观察对旋转玉米根损伤的明显NCR解释提出了挑战，Diabrotica virgifera virgifera伊利诺斯州中东部一个面积虽小但不断扩大的地区的旋转玉米的损伤(Levine and Oloumi-Sadeghi, 1996, Levine et al. 2002)。

伊利诺伊州自然历史调查的Eli Levine博士对从受影响的田地中收集的根虫卵和成虫进行了后续分析，证实了WCR是造成破坏的罪魁祸首(Levine and Oloumi-Sadeghi, 1996, Levine et al. 2002)。因此，像它们的近亲NCR一样，WCR已经发展出对作物轮作的抵抗力;然而，这一次的机制并不是卵子本身的，而是由于雌性产卵行为的改变。

抗旋转的WCR雌性不仅在玉米地里产卵，还放松了产卵的保真度，将卵产在玉米和大豆地里(以及与玉米田相邻的其他作物)。

这种行为上的变化，从1987年单一田地的孤立问题开始，扩散到多个县，到1995年造成伊利诺伊州中东部9个县和印第安纳州中西部15个县高达50%的产量损失(Levine et al. 2002)。在接下来的十年里，轮作抗性继续蔓延，最终影响到了威斯康星州、密歇根州、俄亥俄州、爱荷华州、密苏里州和加拿大安大略省的部分地区。

所以根虫的行为发生了变化，让它们对作物轮作更有抵抗力?

是的，旋转阻力是一个行为问题。每年作物轮作的广泛采用(在问题第一次出现的伊利诺伊州，约98%的玉米英亩轮作了(Onstad et al. 2001))对只在玉米地里产卵的雌性施加了非常强烈的选择。

通过对无旋转阻力地区旋转大豆田的采样，我们知道，我们总能在大豆田(以及玉米以外的其他地方)发现一些WCR。显然，女性对玉米田的忠诚度在1964年首次进入伊利诺斯州(在20世纪60年代末到达伊利诺斯中东部)时就已经存在。

自然选择，在这种变异和几乎普遍采用的作物轮作所施加的选择压力的作用下，进化出了抗轮作种群ca．20年(Levine et al. 2002)。

这种行为变化的一个后果是每天大量的WCR甲虫在玉米和大豆田之间流动，大豆田中WCR含量很高——在一些县，每100次用蚊帐扫过大豆冠层，平均收集到的WCR成虫数量达到了>250只。

除了在植物冠层高度的局部和田间之间的移动，以及一比例新交配的雌性在更高海拔的分散飞行外，大量的空中WCR可能被吸入对流风暴，并在与雨水一起沉积之前传播了很远的距离。在所有这些尺度上的移动有助于传播旋转阻力问题(Onstad et al. 1999;Isard et al. 2000, 2004)。

另一个非常明显的抗旋性表现是大豆草食性的发生。在大豆田里，抗旋转的WCR甲虫会以大豆叶子为食。有时，草食的程度会使田野中大多数植物的叶子部分骨骼化。

这是非常奇怪的行为，因为WCR没有从这种喂养中获得任何显著的营养效益，如果被迫以大豆组织为食超过几天，它就会死亡。事实上，大豆植株产生的抗草食动物防御化学物质(蛋白酶抑制剂)会抑制WCR对大豆组织的消化。在没有旋转阻力地区的大豆田中，也观察到大豆叶片的稀少行为，这不是一个新的行为。

这种看似不适应的行为的普遍现象很难解释。然而，当我们了解到以大豆为食的个体比以玉米为食的甲虫更有可能四处走动和产卵时，这种诱导的流动性提供了一种机制，使产卵甲虫回到玉米地里，在那里它们可以找到支持卵子发育的营养食物(Mabry和Spencer 2004;Mabry等人。2004)。

直到后来，当我们开始在生理和分子水平上研究旋转阻力的生物学时，我们才了解到旋转阻力种群的一些特殊适应能力。

玉米和大豆轮作田玉米根虫(WCR)的研究。视频来源:美国昆虫学会/ YouTube

玉米根虫会造成什么产量损失?

饲养玉米根虫幼虫对根组织的破坏是严重根虫侵扰的最显著影响。每一个被幼虫捕食破坏的根环(即一个根节点)，产量就可能减少15% (Tinsley et al. 2013)。

完全破坏三个主要节点可使产量降低45% (Tinsley等，2013年)。如果成虫在授粉期间以玉米丝为食，也会影响潜在产量;严重的“断丝”会干扰受精，导致每年的籽粒减少。

抗旋转和易受旋转影响的根虫甲虫有什么区别?

人口之间有相当多的差异;然而，大多数区别性的特征很难容易或快速地评估。这是研究抗旋转根虫的一个挫折，没有分子遗传学和生理测量，我们无法迅速区分孤立的抗旋转和易旋转个体。

最明显的区别之一是，在景观多样性低、大部分土地是玉米或大豆田的地方，有大量耐旋转的WCR种群。在作物多样性更丰富的地方，特别是玉米种植面积更连续的地方，由于许多玉米田年复一年都是玉米，所以对玉米田产卵保真度低的优势就丧失了。

即使在玉米田WCR丰富的地方，在相邻的大豆田也很少看到WCR成虫。根据模型，一旦旋转玉米种植面积不到80%，耐旋转和易旋转的WCR之间的基因流将太大，无法维持旋转阻力(Onstad et al. 2001)。

抗旋转的WCR对玉米田的保真度较低，在环境中比易旋转的WCR更具流动性。与易受旋转影响的亲缘不同，耐旋转的WCR在大豆田(以及其他非宿主田)中停留的时间更长，并且经常在玉米和大豆田之间移动。这是一个根本性的差异，但只有在对个体进行抽样时才会明显显现出来(Levine et al. 2002)。

由于一些生化适应(例如，组织蛋白酶L蛋白酶的更高表达来对抗大豆产生的蛋白酶抑制剂)，抗旋转的WCR能够比抗旋转的WCR更长时间地抵抗大豆植物抗草食动物防御(Curzi et al. 2012)。这种优势被假设为使它们在受到大豆抗草食动物防御作用之前有更多的时间在大豆地里活动，从而为产卵创造更多的机会。

对大豆草食性的同样的生化适应也赋予了抗旋转的WCR生存优势，当它们被迫生存在大豆环境中时，可以活得更长。抗旋转和易旋转的WCR甲虫肠道中微生物群落的相对丰度是不同的(Chu et al. 2013)。

抗旋转和敏感旋转的WCR甲虫在捕食大豆组织时，基因表达模式存在显著差异。当不同种群以玉米组织为食时，基因表达没有太大差异(Chu et al. 2014)。

抗旋转根虫的组织蛋白酶水平与控制它们数量的困难有什么关系?

组织蛋白酶是一类蛋白酶，它们参与消化过程中蛋白质的分解。根虫甲虫产生各种不同的cathespin。当大豆植株被食草动物攻击时，它们会产生蛋白酶抑制剂，干扰昆虫消化植物组织中蛋白质的能力。

我们发现抗旋转和敏感的甲虫对大豆植物的化学防御反应不同。当以大豆叶片为食时，抗性WCR具有更高的蛋白酶Cathepsin-L的背景水平，其Cathepsin-L的产量比易感WCR增加3 -4倍。

旋转敏感的WCR增加了一种不同的组织蛋白酶，组织蛋白酶- b的产量，以响应大豆喂养。然而，在大豆防御存在的情况下，Cathepsin-B不如Cathepsin-L有效，导致易感WCR在大豆食饵时存活率降低。抗旋转的WCR产生一种不那么脆弱的蛋白酶，Cathepsin-L，可以让它们在大豆田中有更多的时间进行产卵等活动(Curzi et al. 2012)。

为什么您认为旋转阻力在玉米和大豆为主的地区尤其普遍?

轮作抗性是由于轮作对种群的强烈选择所造成的。历史上，作物轮作在该地区广泛采用，成为轮作抵抗的中心(Onstad et al. 2001)。WCR是一种生物适应了玉米年复一年出现在同一地点的物种。

作物轮作破坏了一个地方每年的玉米供应。在轮作的玉米地中，对玉米地有完美产卵忠诚的WCR雌性会在下一年不种玉米的地方产卵——当它们的后代出现在大豆地里时，它们将会饿死和死亡。

对玉米田不完全忠诚的雌性，即使只在玉米田以外(即大豆田)下一小部分卵，也会把卵产在第二年种植玉米的可能性很高的田地里。如果降低的忠诚度是遗传的，这种情况将产生对玉米田的忠诚度越来越低的后代。

事实上，在大豆蛋白酶抑制剂存在的情况下，WCR表达了多种活性或多或少的组织蛋白酶，这为选择微调关系提供了额外的途径。

你参与的研究有助于加深对导致抗旋转根虫的复杂变量的理解。这项研究的发现如何应用于减少昆虫的旋转阻力?

在过去的几年里，我们对导致旋转阻力的机制的理解有了巨大的增长，Chu等人(2015)的发表证明了我们在短短几年里了解了多少。

我认为最令人吃惊的发现之一是发现微生物在旋转阻力中起着重要作用。在Curzi等人(2012)和Chu等人(2013)之前，我们对WCR与玉米和大豆相互作用的看法非常简单——也许如果我们从一开始就知道我们面临的是WCR +微生物群的阴谋，我们可以更快地得出结论?另一个非常重要的发现是在抗旋转和易旋转的WCR中存在的差异调节基因的多样性。

尽管Chu等人(2015)的研究重点是在转录上与旋转阻力表达相关而不是特定基因相关的基因模块(具有相似或相关功能的许多基因组)，但与模块相关的广泛功能类别提供了与旋转阻力相关的功能或过程的诱人线索。

例如，我们发现参与排毒的基因组和参与代谢产物、脂类、固醇和药物进出细胞的运输的基因组存在差异。其中一些基因与昆虫对其他毒素的抵抗力有关。

其他模块有参与免疫功能的不同调节基因，考虑到我们对微生物群在WCR适应作物轮作中的作用的了解，这是有趣的。我和我的同事们希望这些信息可以用来开发特定的诊断工具，以便快速识别耐药人群。

针对抗旋转WCR的特定弱点和独特基因调控模式，在短期内不太可能找到一种新的管理解决方案。与旋转阻力相关的潜在根系损伤后果已在Bt玉米杂交种中相当有效地处理了十多年。未来几代抗根虫转基因玉米杂交种是对抗WCR和易感WCR生物化学见解的应用领域。

在伊利诺斯州的一些抗轮作WCR群体中，出现了对两个Bt性状的大田进化抗性，这将给面临非常可怕的根虫敌人的玉米生产者带来困难的挑战和选择。最终，我们必须学会以一种更综合的方式应用我们现有的管理策略(Bt玉米杂交、杀虫剂和作物轮作)。

正如Stephen Forbes的成功的轮作建议建立在对根虫生物学的深刻理解之上，我相信未来WCR管理工具的可持续性将受益于对根虫生物学、生物化学和基因表达的最新深入理解。

参考文献

• Bigger, j.h.(1932)。短旋转不能防止攻击Diabrotica longicornis说。经济昆虫学报，25,196-199。
• 蒋h.c.(1965)。北方玉米根虫卵能存活一到两个冬天。经济昆虫学报58,470-472。
• 楚,碳碳。， J.L. Spencer, J.A. Zavala和M.J. Seufferheld. 2013。昆虫-微生物群的相互作用促进了西部玉米根虫对轮作的抗性。国家科学院院刊，美国110(29)，11917-11922。doi: 10.1073 / pnas.1301886110
• 楚,c c。、J.A.扎瓦拉、J.L.斯宾塞、M.J. Curzi、C.J. Fields、J. Drnevich和M.J. Seufferheld。在出版社。西部玉米抗旋转和野生型根虫成虫消化道差异基因表达模式进化应用DOI: 10.1111/eva.12278
• Curzi, M.J.， J.A. Zavala, J.L. Spencer和M.J. Seufferheld. 2012。异常高的消化酶活性和基因表达解释了一种能够以大豆为食的破坏菌生物类型的当代进化。生态学与进化2,2005-2017。
• 《福布斯》,S.A. 1883。玉米root-worm。鞘翅目。家庭叶甲科。伊利诺斯州昆虫学家年度报告12,10 -31。
• 艾萨德，J.L.斯宾塞，M. A.纳赛尔和E.莱文，2000。西部玉米根虫的空中运动:大豆田飞行活动的昼夜周期。环境昆虫学报29,226-234。
• S.A.伊萨德，J.L.斯宾塞，T.R.马布里和E.莱文，2004。大气条件对西部玉米根虫高空飞行的影响(鞘翅目:玉米根虫科)。环境昆虫学33,350-356。
• Levine, E, Oloumi-Sadeghi, H.和Fisher, J. R.(1992)。伊利诺斯州和南达科他州北部玉米根虫(鞘翅目:金蝇科)卵多年滞育的发现和伊利诺斯州长期滞育性状的发生率。经济昆虫学报85,262-267。
• Levine, E.和H. Oloumi-Sadeghi。1996.西部玉米根虫(鞘翅目:金蝇科)幼虫对用于制种的玉米和用于制种的大豆的伤害。经济昆虫学报89,1010-1016。
• 列文，E, J.L.斯宾塞，s.a Isard, D.W. Onstad和M.E. Gray, 2002。西部玉米根虫Diabrotica virgifera virgifera LeConte(鞘翅目:金蝇科)对作物轮作的适应:一种新品系对栽培管理实践的响应。美国昆虫学家48,94-107。
• 马布里，T.R.和J.L.斯宾塞，2003。西部玉米根虫以大豆为食的生存与产卵。昆虫学报109,113-121。
• Mabry, J.L. Spencer, E. Levine和S.A. Isard, 2004。玉米和大豆交替饲粮对西部玉米根虫行为的影响。环境昆虫学33,860-871。
• Onstad, d.w.， M.G. Joselyn, S.A. Isard, E. Levine, J.L. Spencer, L.W. Bledsoe, C.R. Edwards, C.D. DiFonzo和H. wilson . 1999。适应大豆-玉米轮作的西部玉米根虫种群分布模拟。环境昆虫学28,188-194。
• Onstad, d.w.， J.L. Spencer, C.A. Guse, E. Levine和S.A. Isard. 2001。一种昆虫对作物轮作行为抗性的演化模型。昆虫学报100,195-201。
• Steffey, K. L.， Gray, M. E.和Kuhlman, D. E.(1992)。玉米根虫(鞘翅目:金蝇科)幼虫在大豆种植后对玉米的伤害程度:在伊利诺斯州寻找延长滞育性状的表达。经济昆虫学报85,268-275。
• n.a. Tinsley, R.E. Estes和M.E. Gray, 2013。用嵌套误差成分模型估计玉米根虫幼虫造成的损害的验证。应用昆虫学报137,161-169。

关于约瑟夫·斯宾塞博士

Joseph L. Spencer博士是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校伊利诺伊自然历史调查昆虫行为的首席研究科学家和研究项目负责人。

斯宾塞博士于1994年获得密歇根州立大学昆虫学博士学位，在亚利桑那大学获得博士后学位后，于1996年来到伊利诺伊大学伊利诺伊自然历史调查(INHS)，研究抗旋转的西部玉米根虫的行为和生物学。

乔花了19年的时间研究西部玉米根虫甲虫生物学和生态学的各个方面，特别关注成虫在玉米和大豆田内部、之间和上面的运动和传播。

自2001年以来，斯宾塞博士一直在研究根虫与Bt-玉米杂交株的相互作用。

他目前正在伊利诺伊州研究抗Bt和抗旋转的西部玉米根虫的生物学和行为。乔也是一个热心的昆虫摄影师和自然观察者，当他很少的情况下，当他不在玉米田。