农业生物多样性控制病虫害和保护种质资源的原理与方法

项目名称：农业生物多样性控制病虫害和保护种质

资源的原理与方法

首席科学家：朱有勇云南农业大学

起止年限：2006.1至2010.12

依托部门：云南省科技厅

一、研究内容

（一）拟解决的关键科学问题

1、农业生物多样性控制病虫害的原理和方法

农业生物多样性控制病虫害的时空配置方法和效应；时空配置中基因表达和次生代谢的变化特征；作物与病虫相互作用的遗传学原理及协同进化；生物间信息及物理化学作用；生态功能和流行机制；阐明农业生物多样性控制病虫害的机理，建立优化应用模式和方法。

2、利用生物多样性促进种质资源保护的方法及机制

农业生物多样性促进品种资源保护的方法和效应；生物多样性促进品种持久性利用的机理；基因交流和种质渗入对品种资源的影响；利用生物多样性促进品种资源保护的时空尺度及其内在关联；建立评价标准和评价体系。

（二）主要研究内容

围绕关键科学问题，立足我国农业生物多样性资源及生产管理多样性特色优势，以重要粮食作物为研究对象，利用分子生物技术和信息技术，从微观的基因表达和次生代谢入手，结合现代新技术和传统技术，主要研究农业生物多样性的宏观生态学问题，重点开展农业生物多样性控制病虫害和保护种质资源的评价体系、原理与机制和模式与方法三个层次五个方面的研究。

1、重要粮食作物的农业生物多样性评价标准和体系

在表现型和基因型两个层次，对不同生态区和不同种植模式的水稻、小麦等重要粮食作物品种进行取样策略、评价标准和评价体系开展研究。通过分析表现型和基因型的多样性，并对不同生态条件和不同种植模式下主要功能基因表达及调控、基因－环境互作进行研究，提出重要粮食作物农业生物多样性评价标准和评价体系。

2、农业生物多样性时空配置的基因表达和次生代谢变化特征

围绕生物多样性控制病虫害和种质资源保护的中心内容，利用功能基因组学的研究方法，分析不同生态条件和不同种植模式下基因组、转录组、蛋白质组及代谢组水平上的变化特征和规律；通过结构基因组和功能基因组水平上的综合分析，明确多样性时空配置的基因表达、次生代谢与表型的相互关系；探明遗传异质性与品种持久利用的关系。

3、农业生物多样性控制病虫害的效应、机理及方法

农业生物多样性控制病虫害的基本规律及其效应；作物与病虫相互作用的遗传学原理及协同进化；品种搭配的分子标记和农艺性状特征；生物间信息及物理化学作用；生态学机理和流行学机制；农业生物多样性时空配置控制病虫害的优化应用模式及方法。

4、利用农业生物多样性促进种质资源保护的效应、时空尺度及其关联

农业生物多样性促进种质资源保护的效应；品种持久性利用的生物多样性机理；基因交流和种质渗入对种质资源的影响；利用农业生物多样性促进种质资源保护的时空尺度及内在关联；建立优化应用模式。

5、农业生物多样性控制病虫害和种质资源保护综合应用模式

在西南地区重点研究遗传多样性控制病虫害和农家保护品种资源的时空配置综合模式；西北地区重点研究品种多样性时空配置的综合模式；东部地区重点研究农田生态系统多样性时空配置的综合模式；田间验证研究结果，进行成果集成，建立农业生物多样性控制病虫和保护种质资源的范例。

二、预期目标

(一)总体目标

探明农业生物多样性控制病虫害的效应及基本规律，明确生态学原理、流行学和遗传学机理；建立农业生态系统中作物品种多样性的评价标准和评价体系；探明利用生物多样性促进种质资源保护的效应、尺度及内在关联；判识种质渗入对种质资源的影响；构建综合应用模式，验证研究结果并进行成果集成。发现农业生物多样性控制病虫害和种质资源保护的基本规律，明确基本原理，创建基本方法和评价体系，丰富和发展农业生物多样性利用和保护理论。为解决品种单一化带来的负面影响提供可操作方案；为开发农业生物多样性实用技术提供理论支持；为探索粮食生产与农业生物多样性保护和谐发展的新途径提供科学依据。

（二）五年预期目标

发现农业生物多样性控制病虫害和品种资源保护的基本规律，明确基本原理，创建基本方法和评价体系，构建综合应用模式，提供成功范例，丰富和发展农业生物多样性利用和保护理论。主要贡献如下：

1、基础理论贡献

●农业生物多样性控制病虫害的生态学原理；

●农业生物多样性控制病虫害的遗传学和流行学机理；

●品种持久性利用的生物多样性原理；

●利用生物多样性促进种质资源保护的机理。

2、基本方法贡献

●重要粮食作物的农业生物多样性评价标准和方法；

●控制病虫害时空配置模式和方法；

●保护品种资源的利用模式和方法；

●农业生物多样性综合应用模式和方法。

3、建立综合应用模式

●遗传多样性综合应用模式范例；

●物种多样性综合应用模式范例；

●生态系统多样性综合应用模式范例。4、学术贡献和人才培养

●在本领域顶级学术刊物发表系列论文，在利用生物多样性控制病虫害和

原位（农家）保护品种资源的研究保持国际前沿地位，发展和丰富农业

生物多样性理论，对国际学术界产生重要的影响。

●形成研究农业生物多样性的优秀科学家群体，培养博士、硕士生100-120

名。

三、研究方案

(一)总体思路

以生物多样性、植物保护学、生态学、遗传学、种质资源学以及其他现代科学的基本理论为指导，将科学考察、定位观测、田间试验、模式模拟、农户调查、资源分析与分子生物技术和信息技术相结合，在前期工作和相关成果的基础上，采用微观分子生物学和宏观生态学方法，探索利用微观技术解释宏观生态学现象的交互式分析方法，进行利用生物多样性控制病虫害和保护种质资源的多学科交叉研究。

选择我国重要粮食作物水稻和小麦及其主要的病虫害为研究对象，以西南地区（元阳梯田）、西北地区（条锈病菌原地区）和东部地区（珠江三角区）不同自然生态条件和社会发展水平地区为代表性研究区，围绕利用生物多样性促进粮食安全的研究主线，重点解决农业生物多样性控制病虫害和保护种质资源的两个关键科学问题，系统开展农业生物多样性控制病虫害和保护种质资源的评价体系、原理与机制和模式与方法三个层次五个方面的研究。

（二）技术途径

本项目的开展已有较好的技术平台支撑，承担单位拥有2个国家重点实验室，1个农业生物多样性国家工程研究中心，1个国家级作物种质资源库，5个省部级重点实验室，项目所需的绝大部分仪器均能满足。另外，承担单位还拥有30余万份品种资源材料，建立了100余个田间试验点，包括云南原生态点10个，西部欠发达地区75个，东部发达地区20余个，基本代表了我国自然生态和社会经济发展纵向梯度的农业生产类型。在大量前期工作的基础上，本项目研究的主要技术途径如下：

（三）创新点与特色

1、创新点及其突破

1）生物多样性控制病虫害的理论创新：

阐明农业生物多样性利用中寄主与病虫相互依赖、相互制约的机理，形成生物多样性控制病虫害的新理论。突破点：生物多样性控制病虫害的生态机理利用生物多样性控制作物病虫害的应用研究已历时5年，完成了遗传学、病理学、流行学等方面的大部分研究工作，积累了大量研究资料。在项目执行期内，通过学科交叉，微观技术与宏观技术结合，可望在解析同一品种不同种植方式产生不同控制效果的农田生态学机理获得突破，促进生物多样性控制病虫害的创新理论的形成。

2）粮食作物重大病虫害防治技术创新：

在理论创新基础上，借鉴水稻的成功经验，形成重大病虫害生物多样性防治新技术，为建立我国重大病虫害防治的长效机制提供技术。

●突破点：锈病菌源地的生物多样性防治技术

由于小麦品种单一化，我国每年发生条锈病近2亿余亩，病害发生菌源来自西北和西南山区的2千余万亩小麦，是800余万农民的自给口粮生产土地。其无法替代性严重威胁我国2亿余亩小麦的安全生产。在菌源地区构建品种多样性控制锈病技术，有效控制菌源地条锈病的发生，为建立我国防治条锈病的长效机制提供创新技术。已开展生物多样性控制小麦锈病技术研究3年，完成了田间小区试验150多个，获得了大量的技术参数，可望在项目执行期内防治技术获得突破。

3）品种资源持久性利用的理论创新：

从生物多样性角度，结合遗传学、生态学、植物保护学、环境科学等学科，定位观测，分析实例，解析经久使用的农家品种的机理和机制，建立品种资源持久性利用的新理论。

●突破点：解析连续种植120余年农家品种的机理在云南元阳梯田地区选择了两个连续种植了120余年的水稻农家品种，定位了10个田间观测点，从农业生物多样性角度已开展了2年的系统研究，有望在项目执行期内，通过多学科交叉研究，解析该农家品种持久利用的机理和机制，促进品种资源持久性利用新理论的形成。

2、特色

在国际上，我国农业生物多样性资源及其生产方式多样性，其研究条件对该领域的研究具有无可替代特色；

在国家需求上，通过利用农业生物多样性控制病虫害的特性，促进广大农民在利用中实现品种资源保护和减少农药使用量，其对我国生态农业的发展，特别对促进西部山区生态农业的建设，具有独到之处。

（四）课题设置

围绕利用生物多样性促进粮食安全的研究主线，重点解决农业生物多样性控制病虫害和种质资源保护的两个关键科学问题，系统开展三个层次的研究，根据研究内容的性质、任务、关联度和学科特点，将研究内容设置为六个课题：

1、重要粮食作物的农业生物多样性评价标准和体系；

2、不同生态条件下品种抗病虫的基因表达和次生代谢特征；

3、农业生物多样性控制病害的效应、原理和方法；

4、农业生物多样性控制害虫的效应、原理和方法；

5、农业生物多样性促进种质资源保护的作用、尺度及关联；

6、农业生物多样性综合应用模式与方法。

（五）课题的任务和关联

根据研究的总体方案和技术路线，设置的6个研究课题分三个层面展开。层面一（包括课题1和课题2是本项目的基础部分，其中课题1的主要任务是建立评价标准和体系，为判识其他课题的研究结果服务；课题2的主要任务是研究不同生态系统中基因表达和次生代谢变化特征，为其他课题研究的宏观生态学原理提供分子证据和解析分子机理服务。层面二（包括课题3、4、5）是研究的主体，主要任务是研究农业生物多样性控制病虫害和种质资源保护的原理和方法，其中课题2与课题3重点研究控制病害和虫害的规律及原理，其结果是课题5研究的前提；课题5是研究利用农业生物多样性控制病虫害的模式对品种资源保护的作用和内在关联。层面三（课题6）是各课题研究结果的集成，形成综合应用模式，通过验证建立基础理论。各课题间的相互关联如下图所示：

（六）课题简介

课题一：重要粮食作物的农业生物多样性评价标准和体系

本课题将在表现型和基因型两个层次，对不同生态区和不同种植模式的水稻、小麦等重要粮食作物品种进行取样策略、评价标准和评价体系开展研究。通过分析表现型和基因型的多样性，并对不同生态条件和不同种植模式下主要功能基因表达及调控、基因－环境互作进行研究，提出重要粮食作物品种多样性评价标准和评价体系。本课题是项目研究的基础之一。

1、主要研究内容

1）重要粮食作物种质资源表现型多样性研究：包括重要粮食作物不同品种在不同生态区及多样性种植模式下抗病、抗逆、产量、品质等表现型

的精细鉴定评价，构建不同生态区和不同种植模式下的表现型多样性

评价标准和技术体系。

2）重要粮食作物种质资源主要功能基因类群的结构及其表达调控多样性的研究：综合利用生物信息、分子标记和基因芯片技术，构建不同生态

条件下水稻基因组规模的遗传多样性评价标准和技术、不同种植模式下

主要功能基因类群的表达及其调控、基因－环境互作的评价标准和技术；

分析品种遗传异质性与不同生态条件下表型变异的相关性。

3）重要粮食作物的品种多样性评价体系构建：在比较分析不同生态区不同种植模式的不同作物品种表现型和基因型多样性的基础上，重点进

行取样策略、评价方法的研究，建立一套简单有效的重要粮食作物品

种多样性评价标准和技术体系。

2、预期目标

1)建立重要粮食作物种质资源表现型多样性的评价技术和方法，明确不同生态

区和不同种植模式下种质资源表现型多样性丰度和时空分布。

2)建立水稻、麦类作物遗传基因多样性评价的技术体系。

3)建立农业生态系统中重要粮食作物的品种多样性评价标准和技术体系。

4)培养博士10名，硕士30名；发表论文25－30篇，其中SCI论文15篇。

3、承担单位及主要研究成员

1)课题承担单位：中国农科院作物品种资源研究所

2)课题负责人：刘旭

3)主要学术骨干：李立会、黎裕、张辉

4、所占经费比例：总经费14%

课题二：不同生态条件下品种抗病虫的基因表达和次生代谢特征

本课题将围绕生物多样性控制病虫害和种质资源保护的中心内容，利用功能基因组学的研究方法，分析不同生态条件和不同种植模式下基因组、转录组、蛋白质组及代谢组水平上的变化特征和规律；通过结构基因组和功能基因组水平上的综合分析，明确多样性时空配置的基因表达、次生代谢与表型的相互关系；探明遗传异质性与品种持久利用的关系。本课题的研究既立足于项目其他课题的研究成果，同时也为其他课题提供分子证据和机理解释。

1、主要研究内容

1）基因组和转录组学:利用申请者已完成的水稻全基因组序列信息、基因芯片（含6万多个Oligo）及其实验体系，检测不同生态条件下水稻、麦类品种的基因结构差异，多样性种植模式中水稻、麦类的转录谱变化，水稻受到病虫侵染后基因表达谱的变化特征。

2）蛋白质组学：开展不同生态条件和不同种植模式下水稻、麦类品种的蛋白质谱的变化特征分析，探寻多样性种植模式对蛋白质谱的影响、蛋白质谱变化与表型变化的相关关系，确定相应的抗性标记蛋白和感病标记蛋白。

3）代谢组学：分析不同生态条件和多样性种植模式下水稻、麦类品种的次生代谢产物的变化特征，探明生物多样性群体结构中与病虫抗性相关的次生代谢产物（生物标记物）及其在不同生态条件下的变化规律。

2、预期目标

1)建立我国首个生物多样性相关的转录组、蛋白质组和代谢组的生物信息

数据库。

2)完成不同生态条件和不同种植模式的200套水稻芯片的杂交及数据分析

工作；明确生物多样性群体结构对不同功能基因表达及调控的影响。

3)建立水稻次生代谢产物快速分析技术，明确生物多样性种群结构对次生

代谢产物的影响及其变化规律，获得品种抗病虫相关的生物标记物。

4)完成基因组结构、转录谱、蛋白质谱以及相关的次生代谢产物谱的综合

分析，解析生物多样性控制病虫害遗传和生化原理。探明品种遗传异质

性与持久利用的关系。

5)培养博士生12名，硕士生20名。

6)申请专利5－8项。发表论文25－30篇，其中SCI论文18篇。

3、承担单位及主要研究成员

1）承担单位：中国科学院植物研究所、云南农业大学

2）课题负责人：孟征（植物所）、李成云（云南农大）

3）主要研究人员：曲乐庆（植物所）、徐鸿林（遗传所），路鑫（化物所）

课题三：农业生物多样性控制病害的效应、原理和方法

利用生物多样性控制作物病害是当前国内外研究的热点，国内外做了大量的研究，我国利用遗传多样性控制水稻病害的应用研究已经取得突破性进展，为建立遗传多样性控制作物病害的基础理论，积淀了丰厚的基础。本课题以主要的粮食作物及其主要病害为对象，重点研究农业生物多样性控制病害的效应和基本规律，探明其遗传学原理和流行学机制，结合课题二的研究结果，探索控制病害的分子机理，建立时空配置模式和方法。本课题是项目的主体研究内容之一。

1、研究内容

1)农业生物多样性控制病害的效应及其基本规律: 农田生态系统中作物遗

传和物种多样性对病害控制的效应和基本规律；品种遗传差异与病害调控效应的内在关联；品种搭配的遗传背景、农艺性状特征及其参数。

2)品种多样性与病原物致病性的相互关系及协同进化：品种多样性与病原

物遗传多样性的遗传学基础；品种多样性与病原物致病类型的协同进化及其变化动态；品种多样性诱导的抗性及其效应。

3)农业生物多样性调控病害的生态学功能和流行学机制：群体结构与农田

小气候的关联和作用，农田小气候调控病害的机制和效应；群体结构对病原物的稀释隔离和病害扩展的作用及流行学机制。

4)农业生物多样性控制病害的分子证据及其机理：利用课题二的研究结果，

结合农田生态系统中生物多样性控制病害的表征和效应，探明其生态学功能的分子证据及其物理和化学作用。

5)农业生物多样性控制病害的时空配置模式和方法：时间配置控制病害的

模式和方法；空间配置模式和方法；时间和空间组合配置模式和方法。

2、预期目标

1)揭示农业生物多样性控制病害的效应和基本规律。

2)探明品种多样性与病原物的相互关系及协同进化。

3)探明控制病害的生态学功能和流行学机制，解析其分子机理。

4)建立控制病害的时空配置模式和方法。

5)发表论文35－40篇，其中SCI论文20-25篇，出版专著2－3部；培养

博士8-10名，硕士16-20名，申请专利5－7项。

3、承担单位及主要研究成员

1）承担单位：云南农业大学、中国农科院植保所

1）课题负责人：朱有勇（云南农大）、牛永春（植保所）

2）主要学术骨干：何月秋（云南农大）、李世访（植保所）、段霞瑜（植保所）

课题四：农业生物多样性控制害虫的效应、原理和方法

从农业生物多样性的生态系统、物种和遗传三个层面，系统研究农业生物多样性对作物害虫的控制效应和基本规律，深入研究其生态学功能，探明生物多样性与害虫及其天敌的种群结构的动态变化，明确各功能团之间的生物间信息、物理和化学作用。结合课题二的研究结果，探索控制害虫的生态学分子基础。建立生物多样性控制作物害虫的时空配置模式和方法。本课题是项目的主体内容之一。

1、主要研究内容

1）生物多样性对作物害虫的控制效应及其基本规律：农田生态系统中作物遗传和物种多样性对害虫的控制效应及其基本规律；研究群体结构和种植模式对害虫的控制效应；重点研究农田生境多样性对害虫的控制效应及其基本规律。

2）控制作物害虫的生态学功能及机制：害虫及其天敌对遗传和物种多样性的响应及其种群动态变化规律；群体结构和种植模式对农田小气候及害虫和天敌的影响；生境多样性与害虫及其天敌的种群结构和数量的相互关系。

3）控制作物害虫的遗传和理化机制：品种多样性控制作物害虫抗性的遗传基础；生物多样性控制害虫的生物间信息、物理和化学作用。

4）控制害虫的分子证据及其机理：利用课题二的研究结果，结合农田生态系统中生物多样性控制害虫的表征和效应，探明其生态学功能的分子证据及其作用。

5）生物多样性的时空配置控制作物害虫的应用模式：控制害虫的时间配置模式和方法；空间配置模式和方法；时间和空间组合配置模式和方法。

2、预期目标

1)揭示生物多样性控制作物害虫的效应和基本规律。

2)探明生物多样性控制作物害虫的生态学功能及机制。

3)明确生物多样性控制作物害虫的物理化学作用及分子机理。

4)建立控制作物害虫的农业生物多样性时空配置模式和方法。

5)发表学术论文25-30篇，其中SCI源刊物15-20篇，出版专著1－2部；

培养博士研究生4-5名，硕士研究生10-15名。

3、承担单位及主要研究成员

1）承担单位：福建农林大学、云南农业大学

2）课题负责人：尤民生（福建农大）、李正跃（云南农大）

3）主要学术骨干：侯有明（福建农大）、吴祖建（福建农大）、李强（云南农大）

4、所占经费比例：总经费16％

课题五：农业生物多样性促进种质资源保护的作用、尺度及关联

本课题拟探索不同农业生产方式对品种资源的利用情况，重点研究地方品种利用与农家保护资源的效应和机制，进行农家保护和异位保护的效应及其遗传多样性分析，明确种质渗入和基因流对作物品种遗传多样性的影响，探索通过利用生物多样性达到农家保护品种的理论基础和途径。本课题为项目的主体研究内容之一。

1、研究内容

1）不同农业生产方式下品种资源的分布、结构与作用：不同农业生产方式和不同发展水平典型地区重要粮食作物品种资源考察、调研和分析，比较不同条件下种质资源遗传多样性分布、结构及利用特点，获取品种资源多样性及利用的本底信息。

2）利用生物多样性促进品种资源农家保护的效应和主驱动力：地方品种利用的主驱动力、模式和特点；生物多样性利用模式对品种资源农家保护的效应；

农家保护品种资源的自然、社会和人文基础。

3）品种多样性利用对作物种质资源的影响：品种多样性时空配置的不同模式中种质渗入的影响及其作用；原位（农家）保护与异地保护品种资源的遗传多样性特征。

4）品种单一化和改良品种遗传背景狭窄化对作物遗传多样性的影响：品种集约化程度与品种遗传多样性丰度的相互关系；改良品种遗传背景狭窄化对作物遗传多样性的影响。

5）品种持久性利用的遗传多样性机理：原生态环境中品种持久利用的遗传学基础和表型特征；持久性利用品种的种植环境和方法之间的内在联系；抗性等位基因多样性与小种专化性互作的遗传机制及利用。

6）利用生物多样性促进种质资源原位（农家）保护应用模式：原生态地区品种资源农家保护应用模式；欠发达地区种质资源农家保护应用模式；发达地区种质多样性应用模式。

2、预期目标

1)阐明不同农业生产方式品种遗传多样性群体结构特征及其利用特点。

2)探明利用生物多样性促进品种资源原位（农家）保护的效应和机制。

3)明确品种多样性利用中基因流和种质渗入的发生频率及其影响；明确品种单

一化和改良品种遗传背景狭窄化对作物遗传多样性的影响。

4)阐明遗传多样性与品种持久利用的相互关系及其机理。

5)构建利用生物多样性促进品种资源原位（农家）保护的应用模式。

6)发表论文35-40篇，其中SCI刊源12-15篇，出版专著2－3部；培养博士

10名，硕士25名。

3、承担单位及主要研究成员

1）承担单位：复旦大学、云南农业大学

2）课题负责人：卢宝荣（复旦大学）、王云月(云南农大)

3）主要学术骨干：宋志平（复旦）、张文驹（复旦）、陈丽娟（云南农大）4、所占经费比例：总经费18％

课题六：农业生物多样性综合应用模式与方法

本课题立足我国农业生物多样性资源、农业生产方式多样性和人力资源的优势，现代农业新技术与传统农业技术相结合，集成各课题的研究成果，并利用前期研究积累，结合农民的经济状况和种植习惯，在原生态地区、西部欠发达地区和东部发达地区，从遗传、物种和生态系统多样性三个层次，研究农业生物多样性的时空配置方法，构建综合模式，进行综合研究，并验证各课题的研究结果，形成示范样板。本课题是项目各课题研究成果的集成，为利用生物多样性促进粮食安全提供范例。

1、研究内容

1）云南原生态地区综合应用模式和方法：重点研究农作物遗传多样性控制病虫害和农家保护品种资源时空配置的综合应用模式和方法，形成作物遗传多样性利用和保护的范例。

2）西部欠发达地区综合应用模式和方法：重点研究农作物物种多样性控制病虫害和物种资源保护的时空配置综合应用模式和方法，形成农作物物种多样性利用和保护的范例。

3）东部发达地区综合应用模式和方法：重点研究农田生态系统多样性控制病虫害和生态环境保护的时空配置综合应用模式和方法，形成农田生态系统多样性利用和保护的范例。

2、预期目标

1）建立品种遗传多样性控制病虫害和农家保护品种资源的综合应用模式和方法，提供范例。

2）建立农作物物种多样性控制病虫害和农家保护种质资源的综合应用模式和方法，提供范例。

3）建立农田生态系统多样性控制病虫害和农家保护种质资源的综合应用模式和方法，提供范例。

4）培养博士生8名，硕士生20名。

5）申请专利5－8项。发表论文25-30篇，其中SCI源刊物文8-12篇。

3、承担单位及主要研究成员

1）承担单位：华南农业大学、中国农业大学

2）课题负责人：骆世明（华南农大）、李隆（中国农大）

3）主要研究人员：章家恩（华南农大）、蔡昆争（华南农大）、徐静（中国农大）

4、所占经费比例：总经费16％。

四、年度计划