有害生物控制药物毒理效应与内稳态激发的多尺度系统研究

With the development of pesticide resistance, a paradoxical phenomenon often occurs whereby the stronger the control measures the more serious are subsequent outbreaks of pest populations. Thus, pest populations may achieve higher steady-states than before the control measures, analogous to hormesis outcomes in drug toxicology. Therefore improper control measures against pests (including both agricultural pests and vectors of diseases such as mosquitoes) may lead to severe outbreaks rather than the desired control. In order to restrain the evolution of pesticide resistance and avoid such paradoxical effects happening, it is necessary to understand the mechanisms and dynamics of pest resistance development and ascertain the threshold conditions for the occurrence of paradoxical results. So, in this project, we will devise dynamic equations of the evolution of pest populations inducing resistance and the evolution of genetic resistance. We will use mathematical methods to analyse the process of Wolbachia matrilineal inheritance and cellular affinity in mosquitoes, study new methods of modelling pest populations with discrete generations and their control and develop a multi-scale system with equations combining descriptions of pest populations and their genetic evolution. Together with mathematical modelling and analyses of experimental data, statistical and numerical analysis, we will study the dynamic behavior of the multi-scale system, analyze the internal relations associated with the development of pest resistance and the time, the intensity and effectiveness of implemented pest control strategies before discussing the key factors controlling the above relations. The ultimate aim is to design optimal pest control strategies by determining the parameter space which permits successful control by avoiding paradoxical pest resurgences.

随着抗药性的发展，对农业害虫和传播疾病的虫媒在内的有害生物的控制过程中，往往出现控制措施越强而爆发或再度猖獗越严重的悖论以及控制措施不当而导致有害生物重建新的高稳态药物毒理效应的发生。为了抑制抗性发展、规避悖论与药物毒理效应的发生，需要充分认识、了解有害生物抗药性发展机理，探明悖论与药物毒理效应发生的阈值条件。因此，本项目将建立有害生物种群诱导抗性与遗传抗性发展以及沃尔巴克菌蚊虫控制细胞质不亲和性母系遗传的动态方程，探讨刻画离散种群世代内部控制措施实施的模型构建新方法，进而发展有害生物演化方程与抗性或遗传发展方程耦合的多尺度系统。结合数学建模、实验数据、统计分析和数值技术等技巧，研究多尺度系统丰富的动力学行为，分析抗性发展、控制策略实施时间、实施强度与有效性和种群增长之间的内在关系。系统探讨上述关键因素确定有害生物成功控制而有效避免悖论和药物毒理效应发生的阈值参数空间，并设计最优控制策略。

化学控制是有害生物防治的主要手段。随着有害生物对化学杀虫剂的抗药性的发展，以及杀虫剂的效应之后，效应残留等，在有害生物的控制过程中，往往出现控制措施越强而爆发或再度猖獗越严重的悖论以及控制措施不当而导致有害生物重建新的高稳态药物毒理效应的发生。为了抑制抗性发展、规避悖论与药物毒理效应的发生，达到害虫治理的目的，需要充分认识、了解有害生物抗药性发展机理，探明悖论与药物毒理效应发生的阈值条件。本项目首先将外部喷洒杀虫剂诱导产生的抗药性发展方程引入到世代不重叠的有害生物综合防治模型中，分析了抗药性发展与天敌投放密度之间的动态平衡关系，在不同的天敌投放策略下，给出了每次投放天敌密度解析表达式；其次，考虑到有害生物对抗药性的遗传因素，我们根据孟德尔遗传规律与杀虫剂的喷洒情况，推导出了双重因素下的抗药性发展规律模型，并分析了影响抗药性发展的主要因素，提出了几种不同的害虫治理策略，根据不同的控制目的，对比分析并提出了最优策略；我们还分析了群内部与外部各种扰动行为的空间异质性对种群增长、害虫控制的影响，讨论了单调的脉冲生育模式下有害生物种群的生长规律，研究结果表明，杀虫剂的使用时间会影响害虫种群的空间分布，即当杀虫剂的使用量较低时过早或过晚施药可能导致害虫更快的增长和更广泛的扩散的悖论现象，当杀虫剂的使用量较高从而导致害虫种群灭绝的情形下，较晚的杀虫时间能够加速种群灭绝，对于非单调生育下的有害生物，我们的分析证实了对于持续变化的害虫出生率或者控制措施引起的杀死率而言，害虫种群密度会呈现多样的空间模式；最后，我们还讨论了有害生物可以扩散，且杀虫剂具有效应滞后、效应残留等情况下，有害生物根除的临界条件，分析了这些因素对有害生物控制的影响。