不同纬度带田间模拟大气温度升高对麦长管蚜种群动态影响机制的研究

Global warming poses a significant risk to the balance of agricultural ecosystem, and it may influence the population dynamics of the grain aphid, Sitobion avenae (Fabricius), one of the most important pests of gramineous crops at major wheat producing area in China. Previous studies found that elevated temperature improved the efficiency of the development, reproduction and population fitness of the grain aphid. However, there is no specific information available on the mechanism study about the response of the population dynamics of grain aphid on the winter wheat at different latitude zone on climate warming based on the tritrophic interactions among "wheat - grain aphid - natural enemy ". To better understand the potential effects of global warming on the wheat agro-ecosystem. The system of "wheat- grain aphid - natural enemy" will be served as the principal line in this project , and an infrared-heated radiators will be used to simulate the climate warming in field plots at different latitude zone. To reveal the response mechanism of the population dynamics of grain aphid under climate warming. the influence of the bottom-up effect including stomatal conductance, nutrition (sugar and nitrogen) metabolism and defense signaling pathway involving in phytohormones (ABA, SA and JA signaling pathway) of wheat, as well as the top-down effect involved in the population dynamics and accompanying relationship with aphid on the aphid population under climate warming will be systematically researched.The results and conclusions will provide the experimental evidence for forecasting of insect pests, breeding of resistant variety and application and conservation of natural enemy insects. Meanwhile, it can enrich the theory of multiple species interactions under global change, providing the scientific basis for integrated management of wheat aphids under the background of global climate change.

全球变暖影响农业中“作物－害虫－天敌”三者的互作关系，并对我国冬小麦区重要害虫麦长管蚜的种群动态造成影响。前期研究发现，温度升高提高了麦长管蚜的发育繁殖速率和种群适合度。然而，基于“小麦-麦长管蚜-天敌”三级营养关系的不同纬度带冬小麦区麦长管蚜种群动态对田间大气温度升高的响应及机制探讨尚不清楚。为了更好地理解全球变暖对麦田生态系统的影响，本项目以小麦-麦长管蚜-天敌营养关系为主线，在不同纬度麦田利用田间红外辐射增温模拟气候变暖，系统研究温度升温下小麦气孔导度、营养代谢（糖和氮代谢）和诱导防御相关激素（ABA、SA及JA抗性途径）代谢等上行效应，分析麦长管蚜及天敌的种群发生及伴随关系等下行效应，以揭示麦长管蚜种群动态对温度升高的响应机制。研究结果将为麦长管蚜防治预测和天敌昆虫保护等提供试验证据；同时可以丰富全球变化下多物种互作的理论，为全球气候变化背景下小麦蚜虫的综合治理提供科学依据。

本研究在课题组前期研究基础上，选择黄淮海冬小麦生产的三个关键地区河北廊坊、河南原阳和湖北武汉，2017-2020年间开展田间模拟增温试验，研究模拟增温2℃对田间小麦-麦蚜-天敌之间互作关系影响，通过分析过去16年的气象资料和麦蚜发生量的关系，并从模拟增温对小麦转录组和防御途径的影响及对蚜虫取食行为影响等方面进行系统研究。对河北香河地区1979年~1997年间16年的气象资料和麦蚜盛发期蚜量分析发现温度梯度间差异显著；温度每升高1℃，蚜量显著增加。在三地模拟增温开展研究发现模拟增温对武汉的蚜虫和相关天敌发生动态影响不大，但使原阳与廊坊两地荻草谷网蚜与禾谷缢管蚜首次出现时间与高峰期提前，高峰期与平均发生量显著增加，并分别使原阳和廊坊小麦成熟期提前了7天和12天。另外，温度升高显著增加了2017年廊坊龟纹瓢虫与两地麦蚜寄生蜂发生量。模拟增温对荻草谷网蚜在不同地区的上穗率的影响有差异，原阳地区有促进作用，廊坊地区为抑制作用；而模拟增温均抑制了两地禾谷缢管蚜的上穗率。此外，EPG取食行为研究还表明温度升高显著增强了荻草谷网蚜的取食行为。转录组测序结果和RT-qPCR分析表明，模拟增温后小麦水杨酸（Salicylic acid, SA）途径上游苯丙氨酸解胺酶（PAL），下游β-1,3-葡聚糖（β-1,3-GA），病程相关蛋白（PR）基因，以及茉莉酸（Jasmonate acid, JA）途径上游丙二烯氧化环化酶（AOC）基因，下游多酚氧化酶（PPO）基因下调表达，仅JA途径上游脂氧合酶（LOX）基因上调表达。综上所述，本研究发现模拟增温抑制了小麦SA防御信号途径，从而促进了荻草谷网蚜的取食，进而影响荻草谷网蚜发生量的增加，另外，温度升高还影响了两种麦蚜在小麦上的生态位竞争情况，改变了麦蚜上穗率。为大气变暖蚜虫发生预测及防治提供一定的理论基础。