空间异质环境下Bt作物靶标害虫抗性演化风险预测及庇护所比例优化研究

Planting a proportion of non-Bt crops (refuges) together with Bt-crops is crucial for preventing the evolution of insect pest resistance to Bt crops and maintaining the long-term efficacy of Bt-crops. To date, although the role of refuges has been proven, how to determine the best proportion of refuges is largely unknown. Taking pink bollworm in the Yangtze River Valley and Bt-cotton as an example, this project proposes to explore the answer by large-scale modeling together with field data analysis. Using the proportion of refuges and Bt-cotton as the major control parameters this project will build a spatial model of population dynamics and population genetics in which the agriculture landscape pattern and the environmental heterogeneity in host crops are taken into account. On the basis of the model, the effects of regional pest control together with the evolutionary risk of pest resistance are predicted. At the same time, the impact of the refuge and Bt-cotton proportions is analyzed. Combining model prediction with field data analysis, the critical conditions for regional pest control and resistance management will be derived, respectively. The optimal proportion of Bt-cotton and refuges will then be determined by analyzing the two critical conditions. Finally, the regularity of regional evolution and spread of pink bollworm resistance in spatially heterogeneous environment of host distribution will be studied by which the potential ways to optimize the proportion and distribution of refuges are explored. This project provides both theoretical and practical basis for integrated pest management.

在种植Bt作物的同时种植一定比例的非Bt作物（庇护所）对预防Bt作物靶标害虫抗性演化、保证Bt作物的长期有效至关重要。迄今为止，虽然庇护所的作用已得到证明，但如何确定庇护所的优化比例，仍是一个需要深入研究的科学问题。本项目以长江流域红铃虫和Bt抗虫棉为例，通过大尺度建模手段结合田间数据分析对此问题进行探索。以庇护所和Bt棉的比例为主要控制参数，考虑农田景观格局及寄主作物环境异质性，构建长江流域红铃虫斑块种群动态与抗性遗传模型；以模型为基础，预测红铃虫区域控制效果及抗性演化风险，分析Bt棉和庇护所比例与分布的影响；结合模型预测与田间数据分析，寻找红铃虫区域种群控制与抗性治理的临界条件；解析区域种群控制和抗性治理的辩证关系，确定兼顾二者的优化庇护所比例；研究寄主作物异质分布环境下红铃虫的区域抗性演化与扩散规律，探索优化庇护所比例与分布的途径。本项目为Bt作物靶标害虫综合管理提供理论与实践依据。

针对我国小农种植模式的特点，根据Bt作物靶标害虫的种群动态和抗性演化机理，考虑Bt作物和庇护所比例的空间差异，区分单价和双价Bt作物两种情形，构建了空间异质环境下Bt作物靶标害虫的区域种群控制及抗性演化风险预测模型；以长江流域红铃虫为例，调查收集了相关实验和监测数据对模型进行了验证分析；通过模型分析了Bt棉花和庇护所比例及其它关键参数对红铃虫区域种群控制效果及抗性演化速度的影响，比较了单价Bt棉花和双价Bt棉花之间的差异。针对单价Bt棉花的研究发现，当Bt棉花的比例为65%或者常规棉花庇护所的比例为35%时，长江流域红铃虫田间种群可以得到有效控制。而在65%的Bt棉花也就是35%的庇护所条件下，红铃虫的区域抗性时间为30年以上，也就是抗性基因频率在30年内不会超过50%。进一步分析发现，红铃虫的区域抗性时间随着庇护所比例的减少而大幅缩短。当Bt棉花的比例为95%或者庇护所的比例为5%时，长江流域红铃虫的抗性时间约为12年。针对双价Bt棉花的研究发现，双价Bt棉花比单价Bt棉花更易实现害虫控制的目标，即在Bt棉花比例相同的情况下，双价Bt棉花可以在更短的时间实现红铃虫的种群控制。与此同时，红铃虫对双价Bt棉花的抗性风险大大低于对单价Bt棉花的抗性风险，即在Bt棉花比例相同的情况下，双价Bt棉花跟单价Bt棉花相比可以大大延缓红铃虫的抗性时间，也就是抗性基因频率达到风险临界值的时间。本项目的研究结果对长江流域红铃虫的区域种群控制和抗性治理具有直接指导意义，相关模型对其它Bt作物靶标害虫的种群控制与抗性治理也具有重要的参考价值。